Author: Галаватских В.А. Молчанов В.С.
Tags: дороги железные дороги железнодорожное строительство автомобильные дороги дорожное строительство городской транспорт строительство транспорт железнодорожный транспорт метрополитен железнодорожные станции метростроение ссср перевозочный процесс
ISBN: 5-89035-364-0
Year: 2006
Text
ВЫСШЕЕ
Ум. CvioO 4» . гюСоГнц?
СТРОИТЕЛЬСТВО
МЕТРОПОЛИТЕНОВ
В.А. Главатских, В.С. Молчанов
СТРОИТЕЛЬСТВО МЕТРОПОЛИТЕНОВ
Под редакцией канд. техн, наук, доцента В.А. Главатских
Рекомендовано Управлением кадров, учебных заведений и правового обеспечения Федерального агентства железнодорожного транспорта в качестве учебного пособия для студентов вузов железнодорожного транспорта
Москва
УДК 625.42
Б БК 39.81
Г52
Г52 Главатских В.А., Молчанов В.С. Строительство метрополите-
нов: Учебное пособие для вузов железнодорожного транспорта / Под ред. В.А. Главатских. М.: Маршрут, 2006. 680 с.
ISBN 5-89035-364-0
Приведены краткие сведения о развитии метрополитенов и других видов скоростного внеуличного пассажирского транспорта в крупнейших городах России; методики обоснования необходимости их строительства; основные конструктивно технологические решения сооружений метрополитена. Отра жены принципы организации строительного производства, современные тех нологни отечественного и мирового метростроения, вопросы охраны труда и промышленной безопасности в метростроении. Пособие предназначено для студентов специальности «Мосты и транспортные тоннели» (специализации «Транспортные тоннели и метрополитены» и «Городские транспортные соору жения»); может быть полезно для специалистов в области проектирования, строительства и эксплуатации метрополитенов.
УДК 625.42
ББК 39.81
Книгу написали: В.А. Главатских предисловие, введение, главы 3 6, 8 17; В.С. Молчанов главы 1, 2, 7, 18 21, заключение, приложения.
Рецензенты: д-р техн, наук, проф. кафедры «Тоннели и метрополитены» МИИТа Е.А. Демешко} генеральный директор ЗАО «Новосиб-метропроект» А.П. Мельник.
ISBN 5-89035-364-0
© В.А. Главатских, В.С. Молчанов, 2006
© УМЦ по образованию на железнодорожном транспорте, 2006
© Издательство «Маршрут», 2006
ПРЕДИСЛОВИЕ
Дисциплины «Технология строительства метрополитенов», «Организация, планирование и управление в моего- и тоннелестроении» завершают учебную программу в вузе и имеют цель подготовить студентов к практической деятельности на строительном производстве, в аппарате заказчика или проектно-изыскательской организации. При этом требуется изучить методы и приемы тоннелестроения, сферы их применения в зависимости от особенностей местных природных, градостроительных и геотехнических факторов, прямо или косвенно влияющих на строительство.
Для усвоения дисциплин необходимы глубокие знания по предшествующим общетехническим дисциплинам («Строительная механика», «Строительные материалы», «Строительные конструкции») и дисциплинам тоннельного цикла («Тоннели и метрополитены», «Щиты и щитовые комплексы», «Буровзрывные работы») и др. Изучив дисциплины, студенты должны : знать организацию и технологию метростроения, специальные способы подземного строительства и условия их применения; уметь оценить инженерно-геологические и гидрогеологические условия заложения подземных сооружений метрополитена для выбора способа производства работ, определения необходимости и возможности применения искусственного укрепления грунтов; иметь представление о физической сущности явлений, протекающих в грунтовом массиве при различных способах его закрепления и строительстве подземных сооружений метрополитенов.
Структура и содержание пособия тесно увязаны с программами указанных дисциплин тоннельного цикла и составлены с использованием и на основе литературы учебно-методической [7, 15—21, 39, 43, 45, 101, 103, 105, 107, 111, ИЗ, 116], специальной [21—23, 25, 26, 32—34, 38,41,47, 50, 51, 60—61, 73,74, 99,102,106,108,109,112,114, 115, 118, 120] и справочной [49, 53, 66, 77, 93, 98, 100]; материалов научных, проектных и метростроительных организаций, а также публикаций отечественных и зарубежных авторов в специальных и периодических изданиях, в том числе в журналах «Метро и тонне
ли», «Метро-инвест», «Подземное пространство мира», «Транспортное строительство», «Шахтное строительство», «Экономика строительства» и др. [1—6,14,24,27—31, 35—37, 40,42,44,46,48, 52, 54, 55,58, 59,62,67,68,97,104,110,117,119,121—123]. Материал учебного пособия соответствует положениям действующих норм и правил по проектированию и строительству метрополитенов СНиП 32-02-2003 [87], СП 32-105-2004 [92], других утвержденных или согласованных Госстроем России нормативных документов [8—13, 78—92, 94—96], а также правил, пособий и рекомендаций [56, 57,63—65,69—72,75, 76].
Особое внимание в пособии уделено примерам из отечественного и зарубежного опыта метростроения, отражающим современные и прогрессивные технологии, конструктивные, объемно-планировочные и организационно-технологические решения.
В тексте каждой главы с целью облегчения поиска информации по рассматриваемым вопросам приведены ссылки на источники библиографического списка.
ВВЕДЕНИЕ
Социально-экономические реформы, проходящие в России, требуют интенсивного развития транспортной инфраструктуры крупных городов, в том числе метрополитенов, которые по праву занимают одно из ведущих мест в массовых городских пассажирских перевозках. По состоянию на 01.01.2006 г. общая протяженность линий существующих метрополитенов в городах России составила 445,6 км с 275 станциями.
Метростроение в России — проблема общегосударственная, и должна решаться на федеральном уровне с участием субъектов Федерации. Именно поэтому правительство РФ поручением от 19 марта 2003 г. одобрило представленную «Программу развития метрополитенов и других видов скоростного внеуличного транспорта до 2015 года» и поручило Минэкономразвития России, Госстрою России, Минтрансу России и Минфину России при формировании проектов федеральной инвестиционной программы на соответствующие годы предусмотреть оказание государственной поддержки строительству метрополитенов. При этом следует отметить, что с середины марта 2004 г. в России введена новая трехуровневая система правительства: министерства, федеральные агентства и контрольнонадзорные органы. Первые призваны вырабатывать государственную политику в конкретных отраслях, вторые — проводить ее в жизнь, третьи — контролировать результаты.
Эти сведения необходимы читателю в связи с тем, что многие бывшие министерства и ведомства, указанные в пособии, более не функционируют либо изменили свой статус. В частности, Госстрой России, выступавший тогда одним из учредителей и законодателей действующих нормативов, преобразован в Федеральное агентство по строительству и ЖКХ — и это следует учитывать.
Значительное влияние природно-климатических и производственно-экономических факторов вызывает необходимость применения различных технологий строительства при возведении подземных сооружений метрополитена, способов взаимодействия средств и предметов труда, а также определенной организации про
изводства — взаимодействия исполнителей, оснащенных средствами производства, в процессе их деятельности. Получение наилучших результатов — основная цель совершенствования технологии и организации производства.
Особое место на современном этапе занимают передовые (так называемые высокие) технологии, напрямую связанные с использованием высокопроизводительного оборудования и наличием обученного обслуживающего персонала.
Как инвестиционная отрасль, т.е. такая, в которой происходит натурализация капитальных вложений, метростроение оказывает воздействие на интенсификацию производства, прежде всего путем сокращения сроков строительства подземных сооружений (от стадии проектирования до их ввода в эксплуатацию). Выполнение этой задачи является основным критерием эффективности метростроительного производства.
К метро- и тоннелестроению в полной мере применимы также и общие критерии эффективности производства, такие, как повышение производительности труда, улучшение использования производственных основных фондов и оборотных средств, обеспечение режима экономии на производстве, устранение потерь и непроизводственных затрат, рентабельность работы метростроительных организаций и пр. Именно поэтому студентам — будущим руководителям производства — важно научиться умело решать указанные задачи в практической деятельности вне зависимости от складывающихся условий.
Раздел L РАЗВИТИЕ МЕТРОСТРОЕНИЯ В РОССИИ
Глава 1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР
1.1. Становление и развитие метростроения в России
Теоретические и проектные разработки. В 1863 г. произошло важное событие в мировой истории — пуск первого в мире 3,6-кило-метрового подземного участка внеуличной железной дороги в Лондоне (рис. 1.1). Подземная дорога, построенная по инициативе инженера Грейтхеда и соединившая Северный и Западный вокзалы столицы Англии, получила название «Metropolitan Rail-Way» («столичная железнодорожная линия»).
Интерес к новому виду транспорта проявился во многих странах мира, в том числе в России. Внеуличные рельсовые пути на некоторых метрополитенах мира стали прокладывать не только под землей, но и на эстакадах. Первые надземные линии появились в Нью-Йорке в 1868 г. (через 10 лет протяженность их превысила 50 км), затем — в Чикаго (1892 г.).
Несколько позднее метрополитен начали строить и в других городах мира: Будапеште (1896 г.), Глазго (1896 г.), Бостоне (1897 г.), Париже (1900 г.), Берлине (1902 г.), Филадельфии (1907 г.), Гамбурге (1912 г.), Буэнос-Айресе (1913 г.), Мадриде (1919 г.), Барселоне (1924 г.), Афинах (1925 г.), Токио (1927 г.), Осаке (1933 г.) и т. д. В 1890 г. на подземной Южно-Лондонской линии была введена электротяга поездов, что повысило интерес к метрополитену [11 (ч.1), 22, 82 (2.6)].
Строительству первого метрополитена в России предшествовали многочисленные теоретические и проектные разработки специалистов-энтузиастов.
Одним из инициаторов строительства метрополитена в Москве был инженер А.И. Антонович, составивший совместно с инженерами путей сообщения Н.Г. Голиневичем и Н.П. Дмитрие-
Рис. 1.1. Первое Лондонское метро (конец XIX в.): а подвижной состав; б в вагоне метро
вым схему внеуличных городских железных дорог большой скорости в виде круговой и радиальных линий, предусматривавших двухпутное движение. Однако эта идея не была поддержана городскими властями.
Разносторонний резонанс в обществе вызвал проект других авторов — инженеров П.И. Балинского и Е.К. Кнорре. Именно Ба-линский, выпускник Петербургского института гражданских ин
женеров, впервые в России в 1893 г. вошел с ходатайством к Санкт-Петербургскому градоначальнику об организации общества постройки метрополитена. Он разработал и передал проекты метрополитенов в Министерство внутренних дел в Петербурге (1900 г.) и Москве (1901 г.). Готовясь к выступлению в Москве, П.И. Балинский привлек к доработке проекта помощников — инженера Е.К. Кнорре и архитектора Н.Н. Каразина, автора многих искусственных сооружений Транссибирской магистрали. Но на специальном «чрезвычайном собрании» Думы по предложению А.И. Гучкова депутаты отклонили принятие проекта.
Только через 10 лет обострившийся в Москве транспортный кризис заставил вернуться к вопросу о метрополитене. К этому моменту население города достигло 1,62 млн чел.
В 1912 г. городская Дума ассигновала 50 тыс. руб. на составление эскизного проекта метрополитена Московской городской управе, которая совместно с Управлением городских железных дорог разработала «Основные положения проекта» и наметила независимую от магистральных железных дорог подземную сеть со специальным подвижным составом облегченного типа (по примеру Парижского метрополитена).
В 1918 г. Москва приобрела статус российской столицы, а в октябре архитектором Б.О. Саулиным был представлен первый проект реконструкции города, в котором предусматривалось сооружение метрополитена с кольцевой линией, объединявшей все вокзалы. Однако только в 1930 г. управление Московской трамвайной сети закончило разработку первого официального проекта Московского метрополитена. Схема подземных линий в основном повторила радиально-кольцевую планировку наземной Москвы.
Строительство первого отечественного метрополитена в Москве.
Решение о строительстве Московского метрополитена принял июньский Пленум ЦК ВКП(б) 1931 г. [32]. Уже через месяц по решению Моссовета выделяются средства на подготовительные работы и создается оргбюро Метростроя. Начальником и главным инженером строительства Московского метрополитена был назначен Павел Павлович Ротерт — опытный инженер-строитель Днепростроя. Для решения технических вопросов проектирования и строительства создается комитет научно-технического содействия Мет
рострою под председательством академика Г.М. Крыжановского. В него вошли известные ученые страны — академики А. А. Скочинс-кий, А.М. Терпигорев, И.М. Губкин, профессоры С.Н. Розанов, А.Н. Пасек, Н.Н. Давиденков, М.В. Келдыш, В.Н. Николаи, П.М. Цим-баревич. В том же 1931 г. закладывается первая шахта на Русаковской улице. В июне 1933 г. на базе проектной группы техотдела Мосметростроя создается проектный институт Метропроект (в настоящее время ОАО «Метрогипротранс»).
К строительству тоннелей между станциями «Сокольники» и «Красносельская» приступили в начале 1932 г. Сооружение первых тоннелей позволило изучить особенности ведения работ в городских условиях. В этих тоннелях впервые применили внутреннюю оклеенную гидроизоляцию, поддерживаемую железобетонной «рубашкой», и искусственное водопонижение.
На участке между Сокольниками и Каланчевской площадью работы вели в открытых котлованах, которые крепили металлическими забивными сваями и деревянными распорками, поставленными в два-три яруса. В связи с проходкой впервые возникла необходимость в укреплении фундаментов зданий и сооружений. При подходе к Каланчевской площади проходка тоннелей мелкого заложения оказалась невозможной. Потребовалось заглубить трассу в коренные неводоносные пласты. На участке между станциями «Красные ворота» и «Охотный ряд» впервые применили щитовую проходку под сжатым воздухом.
Первые неглубокие шахтные стволы начали строить еще при начальном варианте мелкого заложения. Здесь вместо наклонного бремсберга, с которого начали сооружение первого тоннеля на Русаковской улице, заложили вертикальный ствол прямоугольного сечения с деревянным срубом. На участке глубокого заложения от ст. «Красные ворота» до ст. «Библиотека им. Ленина» стали строить стволы кругового очертания с обделкой из железобетона, применяя забивной шпунт, опускную крепь и сжатый воздух.
Перегонные тоннели глубокого заложения строили в основном горным двухштольневым способом опертого свода с тем различием, что под Мясницкой улицей применили не двухпутный, как на подходе к ст. «Красные ворота», а параллельные однопутные тоннели с монолитной обделкой и внутренней железобетонной гидроизоляцией. Для уменьшения расхода строительных материалов и
освобождения рабочего пространства на Кировском радиусе был опробован способ «летучей арки», при котором деревянные рамы заменили съемными винтовыми домкратами-стойками, предложенными американским консультантом Джорджем Морганом.
Первой станцией Московского метрополитена стала станция открытого способа работ «Гаврикова улица» (ныне «Красносельская»). Таким же способом были построены станции с плоским перекрытием — «Сокольники», «Комсомольская», «Кропоткинская» и «Парк культуры». Станцию «Красные ворота» мелкого заложения в начале строительства пришлось заменить трехсводчатой пи-лонной станцией глубокого заложения.
Опыт строительства первой очереди метрополитена в Москве показал, что лучшим при сооружении тоннелей является щитовой способ, исключающий применение многоэлементной деревянной временной крепи и позволяющий сразу вслед за передвигающимся щитом иметь готовую обделку. В связи с этим возникла задача создания отечественного щита.
На участке между станциями «Площадь Свердлова» («Театральная») и «Дзержинская» («Лубянка») длиной 864 м впервые в практике отечественного метростроения щитовая проходка в мелкозернистых водонасыщенных песках была осуществлена под сжатым воздухом. Для этого был запроектирован и изготовлен первый отечественный щит, который начал проходку в мае 1934 г., менее чем через два месяца после пуска английского щита. А уже в 1936 г. прошел производственные испытания первый отечественный станционный щит.
Сразу же после начала строительства станций «Лермонтовская» («Красные ворота»), «Кировская» («Чистые пруды»), «Дзержинская» («Лубянка») и «Проспект Маркса» («Охотный ряд») на большой глубине возникла задача обеспечения наиболее удобного и быстрого подъема и спуска пассажиров. Появились предложения об устройстве многоместных лифтов, использовании вертикальных шахт для устройства в них эскалаторных лестниц, движущихся по винтовой линии, и т.п. Однако победил проект эскалаторов в наклонных тоннелях. Уже в 1933 г. Ленинградский завод «Красный металлист» изготовил первые опытные эскалаторы, а в 1935 г. ими оснастили почти все первые станции глубокого заложения.
Не только первые тоннели, но и первые вагоны метро начали проектировать в Метрострое. Первый вагон был изготовлен Мыти
щинским заводом в мае 1933 г., а в январе 1935 г. завод выпустил уже 40 вагонов. Самый первый поезд из двух вагонов красного цвета серии «А» — моторного № 10001 и прицепного № 1001 — совершил первый рейс между станциями «Сокольники» и «Комсомольская» 15 октября 1934 г. Один из этих вагонов, за 40 лет эксплуатации прошедший около 3,4 млн км, стал экспонатом заводского музея.
Для максимального развития фронта работ за короткий период был создан мощный щитовой парк из 42 щитов (30 перегонных и 12 станционных), изготовленных Кировским заводом в Ленинграде, Новокраматорским и Горловским машиностроительными заводами в Донбассе и др. Такого количества одновременно работающих щитов не знала ни одна стройка мира. Московский метрополитен строился невиданно высокими темпами.
Пуск в мае 1935 г. 1-й очереди Московского метрополитена протяженностью 11,2 км, на которой технические достоинства сочетались с благоприятными санитарно-гигиеническими условиями и жизнеутверждающей архитектурой станций, явился крупным достижением российской строительной техники и новым явлением в мировом метростроении.
После окончания строительства 1-й очереди метрополитена развернулись работы на Арбатском, Покровском и Горьковском радиусах в крайне сложных инженерно-геологических условиях, зачастую под сжатым воздухом и с замораживанием плывунов. Щитовую проходку вели рекордными темпами со скоростью до 120 м/мес. Несмотря на трудности, 11 сентября 1938 г. 2-я очередь метро протяженностью 9,6 км была сдана в эксплуатацию.
Еще более сложной оказалась трасса метро 3-й очереди, сооружение которой пришлось на суровые годы войны (1941—1945 гг.). О сложности гидрогеологических условий говорит, например, тот факт, что при сооружении станции «Павелецкая» было откачано 16 млн м3 воды, а при возведении «Таганской» — 55 млн м3. В одном из стволов, заложенных в грунтах возраста доледникового периода, приток воды достигал 2400 м3/ч, тогда как расход воды в реке Яуза не превышает 1800 м3/ч.
За время существования Московский метрополитен превратился в один из крупнейших метрополитенов мира. В настоящее время перевозочный процесс осуществляется по 11 линиям радиально-кольцевой структуры со 171 станцией, 54 из которых пересадочные (рис. 1.2).
Митино (3) Волоколамское X Шоссе
Мякинино О
Строгино Q _
И Октябрьское Поле ф Крылатское ф Полежаевская ф
Молодёжная ф Беговая ф Кунцевская ф Улица 1905 Года ф {’' Пионерская
ф Филёвский П ф Багратионовская ффили ф Кутузовская ф Студенческая Минская
Планерная ф Речной Вокзал ф Алтуфьево ф
Сходненская ф Водный Стадион ф Бибирево ф
Тушинская ф ~ ”
Щукинская ф
s е- ф Медведково ф Улица Подбельского
>3- ф Бабушкинская ф Черкизовская S g’S ф Свиблово
~____ .... f I Л Ботанический
Аэропорт} pggxJ J
Динамо ф Тимирязевская ф ф Алексеевская
Дмитровская ф М1 ф Рижская
Савёловская ф .. _
Марьина Роща
Войковская ф Отрадное ф Сокол Л Владыкино ф
Потпгыаггп.
русская
Библио
> Достоевская
Проспект
Комсомол
истые Пруды
Кузнецким
Смоле
Третьяковская
.Лени
Полянка
Павелецкая
I сю
Чеховская
Кропотки
О
•^Преображенская Площадь
ф Сокольники
ф Красносельская
Ф Щёлковская ф Первомайская ф Измайловская ф Партизанская ф Семёновская ф Электрозаводская ф Бауманская
Парк Победы
Парк Культуры!
Шаболовская ф
Фрунзенская Ленинский Проел, ф
Спортивная ф Академическая ф
Воробьёвы Горы ф Профсоюзная ф
Университет ф Новые Черёмушки ф
Калужская ф Беляевоф Коньковоф
Тёплый Станф Ясеневоф
Битцевский Парк Дми
Проспект Вернадского ф Юго-Западная®
Олимпийская Деревня Терёшково Солнцево .
Боровское Шоссе
Новопеределкино Л2
(й) ЛИНИИ МОСКОВСКОГО МЕТРОПОЛИТЕНА
ШфВ Сокольническая 2«|ф» Замоскворецкая Звф* Арбатско-Покровская
Филёвская
8 Новокосино Новогиреево
X Перово Шоссе Энтузиастов Чкаловская Ф Авиамоторная
Курская
лощадь Ильича
Римская
стекая
Пролетарская
Застава
ф Автозаводская ф Коломенская Каширская
Дубровка ф Кожуховская оил|ц»рад-.-.,.
ф Печатники ф Проспект
„ ф Волжская ф Текстильщики
Кантемировская ф ф Люблино ф Кузьминки
1 ПапипыноЛ г- а Рязанский
царицыно ф Братиславская ф проспект
Орехово ф Марьино ф Выхино
, ДрмоДВДОВскаяф Q Борисово (?) Жулебино
Красногвардейская WXlO Шипиловская
)\3 Зябликово
Серпуховская
Тульскаяф Нагатинскаяф Нагорная ф Нахимовский Проспектф Севастопольская!^^) Каховская Чертановскаяф Южная ф Пражская ф
Ул. Академика Янгеля ф
Аннино ф (цисногщщдеиская
ДмириялЙМ Бриеио® 1 ОУл- Старокачаловская С Улица Скобелевская
Бульв. Адмирала Ушакова • Улица Горчакова
Л10 Бунинская Аллея
Кольцевая
641фВ Калужско-Рижская Таганско-Краснопресненская Калининская
МОНОРЕЛЬСОВАЯ ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА
M1C==<gS>
ЛИНИИ ЛЕГКОГО МЕТРО
Л1 Бутовская
Волгоградский
9«Ф* Серпуховско-Тимирязевская Люблинская
11вфЖ Каховская
Станции пересадок aQO Строящиеся линии и станции
Рис. 1.2. Схема линий Московского метрополитена (2006 г.)
Удельный вес столичного метрополитена в общегородских объемах пассажироперевозок в настоящее время составляет 59 %. Ежедневно в рабочие дни недели метрополитен перевозит 9—9,5 млн пассажиров. За год услугами метрополитена пользуются более 3,1 млрд чел., что позволяет Московскому метрополитену по этому показателю занимать лидирующее место среди метрополитенов мира. Однако плотность сети линий Московского метрополитена составляет всего 0,26 км линий на 1 км2 площади города, в то время как в Нью-Йорке этот показатель равен 0,5 км, в Лондоне — 1,21 км, в Париже — 2,8 км линий на 1 км2.
Московский метрополитен непрерывно развивается. Так, в 2006 г. начнется проходка перегонного тоннеля от ст. «Каширская» до ст. «Печатники» в составе будущего Большого кольца метрополитена (строительство Кольца планируется завершить к 2035 г.).
Строительство Санкт-Петербургского метрополитена. Вопрос о возможности строительства и глубине заложения метрополитена в Петербурге, стоящем на болоте, долго дискутировался среди специалистов. Основной преградой являлась широкая Нева. Варианты пересечения ее мостами в начале XIX в. казались нереальными вследствие большой глубины и бурных весенних ледоходов, в результате чего появились предложения прокладки подводных тоннелей. В 1814 г. с известным английским инженером Марком Изобаром Брюнелем был заключен договор на проектирование перехода. Брюнель предложил два варианта перехода: мостовой и тоннельный. Тоннельный вариант предполагал преодоление неустойчивых грунтов под Невой изобретенным Брюнелем щитовым способом.
Проходку кругового тоннеля Брюнель предусматривал вести на полное сечение, прикрывая забой, как крышкой, поворотным диском — план-шайбой с винтовой поверхностью и «зубом», подобно раковине морских древоточцев Toredo Navalis, послуживших источником зарождения идеи. Сходство диска с воинским щитом древних завоевателей стало основой для названия изобретения [58].
Первоначально щит М. Брюнеля имел форму прямоугольного бруса, поперечное сечение которого было расчленено на отдельные поочередно выдвигаемые ячейки (рис. 1.3).
Именно такой прямоугольный щит сечением 6,71x11,98 м, разбитый на 36 ячеек и использовавшийся в 1825—1842 гг. при строи-
2
Рис. 1.3. Схемы щитов Брюнеля с выдвижными ячейками: а щитовая ячейка; б разбивка щитов большого сечения на ячейки;
1 продольный разрез щитовой ячейки; 2 вид спереди; 3 вид сзади;
4 щит по патенту 1818 г.; 5 щит, примененный в Лондоне
тельстве тоннеля под р. Темзой в Лондоне, стал прототипом щита для строительства тоннеля в Петербурге. Однако этот проект так и не был осуществлен.
В начале XX в. появился вариант внеуличной трамвайной дороги под Невским проспектом, положительно воспринятый Товариществом конно-железных дорог (рис. 1.4). В 1901 г. с проектом «круговой и городских железных дорог для Санкт-Петербурга (метрополитена)» выступил инженер П.И. Балинский. Он не решился на подземный вариант внеуличной дороги, а представил ее на эстакадах и земляных насыпях высотой 5—10 м.
В 1917 г. Управление Петроградских городских железных дорог предложило схему метрополитена с размещением тоннелей в Ека-
Дворцовая пл. Б.Морская Казанская
ф
Гостиный Двор Екат. сквер Литейный просп. Николаевская ул. Знаменская пл.
414,0 м | 328,0 | 423,5 1 371,0 1 605,5 | 421,6 | 477,1
Открытый способ |Щитовой| О.с.| Щитовой I Открытый способ | Щитовой | Открытый способ
Поперечное сечение перегонных тоннелей
Рис. 1.4. Трамвайный тоннель под Невским проспектом по проекту Г.А. Гиршсона
терининском канале. Руководитель проекта инженер Ю.К. Гринвальд писал: «При устройстве метрополитена в Петрограде необходимо принять меры к тому, чтобы тоннель пролегал возможно ближе к поверхности улицы с целью облегчения доступа пассажиров к станциям. Это условие должно быть принято во что бы то ни стало и за какую бы то ни было цену».
Однако инженерно-геологические и гидрогеологические исследования показали, что под городом лежат осадочные грунты, в основном — протерозойские глины, а над ними — отложения новейшего периода истории Земли с большим количеством валунов и наличием напорных вод. Именно поэтому проектировщики приняли отличающееся от предложенных ранее решение — прокладывать тоннели на большой глубине в протерозойских глинах.
Начавшееся в марте 1941 г. в городе на Неве строительство метрополитена было прервано Великой Отечественной войной и возобновилось лишь в 1946 г.
Проектировщики и строители Санкт-Петербургского метрополитена внесли существенный вклад в совершенствование конструктивно-планировочных и организационно-технологических решений строящегося метрополитена. В частности, специалистами института «Ленметрогипротранс» была создана конструкция станции со сборными железобетонными колоннами вместо металлических, сборными железобетонными нижними ригелями вместо монолитных и сборными железобетонными верхними опорными блоками вместо чугунных тюбингов.
На участке Фрунзенско-Приморской линии построена станция «Спортивная» — первая в России двухъярусная пересадочная станция, на которой с целью снижения уровня шума и вибрации применено новое конструктивное решение основания под путь (нижний ярус). Для будущих станций («Звенигородская», «Площадь Мира II», «Адмиралтейская») разработаны обделки, сооружаемые методом опережающей щелевой крепи — безосадочным методом проходки выработок больших размеров.
При строительстве Санкт-Петербургского метрополитена широко применяется «стена в грунте», возводимая с укреплением ее грунтовыми анкерами. Для создания гидроизоляционных экранов, а также для подавления течей в подземных сооружениях вместо за
мораживания успешно проходит апробацию новая технология закрепления водонасыщенного грунта экологически чистым раствором из цемента, жидкого стекла и бентонитовой глины.
«Ленметрогипротрансом» совместно с Московским научно-производственным объединением «Лифтмаш» разработана технология вертикальной транспортировки пассажиров с использованием в одной шахте четырех пассажирских лифтов грузоподъемностью 3200 кг каждый (на 40 чел.), двигающихся со скоростью 2 м/с, высотой подъема до 100 м, с автоматическими площадками-накопителями, регулирующими пассажиропотоки и не допускающими перегруза лифта.
Петербургский метрополитен начала XXI в. — это четыре подземные линии общей протяженностью 103,8 км, 59 станций и 64 вестибюля, 5 эксплуатационных депо и ремонтная база [111, рис. 2.11].
Это единственный в России метрополитен, являющийся рентабельным. Наряду с этим он считается самым автоматизированным в стране.
В настоящее время в Санкт-Петербурге осуществляется комплексный подход к развитию городской транспортной инфраструктуры в целом. В соответствии с принятой в 2002 г. Программой развития метрополитена до 2015 г. планируется построить 41,5 км трасс и 21 новую станцию. На схеме метрополитена появится Кольцевая линия, которая разгрузит перенапряженные станции в центре города. Будут также построены новые станции в окраинных районах города. В частности, 2 апреля 2005 г. открылась станция «Комендантский проспект». Она стала самой глубокой в России, глубина заложения — 78 м. А в 2006—2007 гг. войдут в строй станции «Адмиралтейская», «Спортивная-2», «Балтийская-2». В дальнейшем планируется продолжение строительства Фрунзенского радиуса до станций «Обводный канал» и «Волковская». После ст. «Волковская» возможно строительство наземного варианта метро, а также маршрутов скоростного наземного трамвая.
Строительство первого за Уралом метрополитена в Новосибирске. С развитием Новосибирска в нем уже начиная с середины 40-х гг. все более обострялась транспортная проблема [15, 51]. Трудности в транспортном обслуживании населения города усугублялись своеобразной планировочной структурой, характеризующейся перемежающимся размещением селитебных и промышленных зон, застройкой жилых массивов на периферии города. С созданием в конце
50-х гг. научного центра — Академического городка — протяженность города достигла в меридианальном направлении 40 км.
Структура улично-дорожной сети Новосибирска сложилась с ориентацией на один городской мост через р. Обь и в основном развивалась бессистемно, в результате чего стали нарастать трудности в пропуске разнородных транспортных потоков на многих участках сети.
Городской пассажирский транспорт (трамвай, троллейбус, автобус) был сильно перегружен. Пассажиропотоки на основных направлениях в час «пик» превышали 25 тыс. пассажиров в одну сторону, а наполнение подвижного состава превышало 10 чел./м2 свободного пола. Особенные трудности в организации системы транспортного обслуживания наблюдались в зимнее время, когда на протяжении 2—3 месяцев температура воздуха снижалась до 35—40 °C при скорости ветра 10—15 м/с.
Прогнозное увеличение объемов пассажирских перевозок на 1975 г. в 1,4 раза, а на 1980 г. в 2 раза, а также ожидаемый рост автомобилизации еще более усугубляли транспортные проблемы города. Совет Министров РСФСР Постановлением от 5 марта 1968 г. поручил институту «Новосибгражданпроект» разработать комплексную схему перспективного развития городского пассажирского транспорта в г. Новосибирск до 1980 г. с выделением строительства 1-й очереди метрополитена в 1975 г.
24 апреля 1975 г. Совет Министров РСФСР утвердил ТЭО строительства метрополитена в Новосибирске. В декабре 1977 г. институт «Метрогипротранс» закончил разработку технического проекта, а в ноябре 1978 г. Совет Министров утвердил проект.
12 мая 1979 г. была забита первая свая на месте будущей станции «Октябрьская». Новосибирский метрополитен возвестил о своем рождении 28 декабря 1985 г. С вводом в апреле 1992 г. в эксплуатацию станций «Гагаринская» и «Заельцовская» завершено сооружение первой очереди метрополитена, связавшей центр города с районом железнодорожного вокзала и двумя крупными пассажирообразующими центрами — площадью Калинина и площадью Маркса. Тем самым была решена в определенной степени одна из самых актуальных транспортных и социальных задач — две части города, разделенные могучей Обью, обеспечены надежной и эффективной транспортной артерией.
В настоящее время Новосибирский метрополитен осуществляет около 20 % общегородских перевозок пассажиров. По объему перевозок в год он занимает третье место в России (после Московского и Петербургского метрополитенов). Общая протяженность двух действующих линий превышает 13 км, пассажиров принимают восемь станций Ленинской и три станции Дзержинской линий (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Схема линий Новосибирского метрополитена
С момента пуска здесь перевезено более 1 млрд пассажиров; среднесуточный объем перевозок составляет около 250 тыс. чел.
При проектировании и строительстве метрополитена были учтены специфические особенности сибирского региона. Прежде всего, это ведение строительства и дальнейшая эксплуатация сооружений в условиях длительного воздействия отрицательных температур.
На протяжении всех лет метростроители Новосибирска тесно сотрудничают с проектными и научно-исследовательскими учреждениями города, в том числе с Институтом горного дела (ИГД) Сибирского отделения Академии наук, СибЦНИИСом, НИИЖТом, Западно-Сибирским филиалом ВПТИтрансстроя. Внедрение новых разработок проверено объективными критериями экономики. Например, обделка, обжатая в грунт, дала экономический эффект 100 тыс. руб. на 1 км пройденных тоннелей. Применение для гидроизоляции эпоксидной каменноугольной мастики дало 1 руб. экономии на 1 м~ гидроизоляции из гидростеклоизола и повысило производительность труда в 2,5 раза. Внедрение нагельного крепления котлована на ст. «Площадь им. Маркса» дало экономию металлопроката более 100 т. Широко использовались невзрывчатое разрушающее средство для разломки бетонных массивов, химическое закрепление грунтов, обогрев бетона в опалубке зимой при помощи греющего кабеля и другие технические новшества. Серебряной медалью ВДНХ была отмечена работа по внедрению грунтовых анкеров с использованием пневмопробойников.
Впервые в практике отечественного метростроения в путь уложены рельсы марки Р65, что повлекло за собой применение новых видов креплений, перекрестного съезда; на одном из перегонов уложено подрельсовое основание на железобетонных лежнях, широко внедряемое в начале XXI в.
При строительстве перегонного тоннеля ст. «Площадь Ленина» — ст. «Красный проспект» в районе р. Каменка впервые опробован и показал отличные результаты новый механизированный проходческий комплекс КТ-5,6Д2, за внедрение которого группа метростроителей награждена медалями ВДНХ. Впервые в практике отечественного метростроения широко применена автомобильная откатка грунта из забоев при проходке тоннелей. Для перевозки бетона использовались миксеры-бетоновозы, а при приготовлении бетона в
качестве добавок — пластификаторы и зола. На строительстве метро прошли испытания инструменты и оборудование, предложенные Институтом горного дела, в том числе: пневмопробойники, сверлильные и пневмоударные машины, оборудование ПУМ-3 для устройства нагельной крепи, ДИН-900 для забивки экрана из труб и др.
Западно-Сибирским филиалом ВПТИтрансстрой разработаны технологические карты, новые конструкции анкеров и способы нанесения гидроизоляции. Сотрудниками НИИЖТа внедрены пластифицирующие добавки ЛСТМ-2, дающие до 10 % экономии цемента; разработаны программы для микроЭВМ, помогающие обрабатывать маркшейдерские данные; произведены контрольные расчеты несущей способности обделки построенных тоннелей с выдачей соответствующих рекомендаций; разработана АСУ ТП по эксплуатации метрополитена.
Эксплуатация сооружений и оборудования метрополитена показала, что заложенные проектировщиками технические решения в целом отвечают суровым климатическим условиям Сибири, за исключением устройства открытых входов станций. Практика убедительно доказала, что в Сибири необходимо строить метрополитен только с закрытыми входами и со специальным подогревом ступеней для исключения образования наледи.
28 декабря 2000 г. сдан в постоянную эксплуатацию участок Дзержинской линии метрополитена от ст. «Сибирская» до ст. «Маршал Покрышкин».
Строительство второй очереди от ст. «Маршал Покрышкин» до ст. «Гусинобродская» продолжается. В сентябре 2003 г. в Новосибирск самолетом АН-124 доставлен механизированный тоннелепроходческий комплекс (ТПК) фирмы «Lovat» (Канада) с роторным рабочим органом и призабойной камерой с грунтовым при-грузом. С февраля по май 2004 г. комплекс впервые задействован на проходке левого перегонного тоннеля между ст. «Маршала Покрышкина» и ст. «Березовая роща», после чего в специальном котловане был «развернут» (без демонтажа) для проходки правого тоннеля. Этот участок протяженностью 1,25 км сдан в постоянную эксплуатацию 25 июня 2005 г.
В дальнейшем в соответствии с генеральной схемой развития метрополитена в Новосибирске (табл. 1.1) планируется использо-
Таблица 1.1
Перспектива развития линий метрополитена в Новосибирске
Наименование линии Протяженность, км Коли-чество станций В том числе
до 2015 г. на перспективу
участок линии длина, км количество станций участок линии длина, км количество станций
Ленинская 20,84 15 Ст. «Пл. Маркса» — ст. «Пл. Станиславского» 1,14 1 Ст. «Пл. Станиславского» — ст. «Южная»; ст. «Заельцовская» — ст. «Авиационная» 3,06 5,65 3
Дзержинская 14,66 8 Ст. «Доватора» — ст. «Березовая роща» 4,00 2 Ст. «Пл. Гарина-Михайловского» — ст. «Комсомольская» 6,36 2
Кировская 13,58 8 Ст. «Чемская» — ст. «Комсомольская» 13,58 8
Первомайская 21,09 12 Ст. «Чкаловская» — ст. «Первомайская» 21,09 12
Октябрьская 21,23 10 Ст. «Авиационная» — ст. «Камышенская» 21,23 10
Всего 91,4 53 5,14 3 70,97 38
вать ТПК «Ловат» также при проходке перегонных тоннелей под Обью на участке от ст. «Пл. Гарина-Михайловского» до ст. «Комсомольская» Дзержинской линии.
Строительство метрополитенов в других крупных городах России. Несмотря на сложные экономические условия, география метростроения в России расширяется. Если в 1991 г. дальнейшее развитие метрополитенов осуществлялось в шести городах: Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде, Новосибирске, Самаре и Екатеринбурге, то в последующие годы начато строительство еще в пяти городах: Омске, Челябинске, Красноярске, Казани и Уфе. Основные характеристики метрополитенов в городах России представлены в табл. 1.2.
1.2. Виды метрополитенов и другого внеуличного городского пассажирского транспорта
Традиционные типы метрополитенов. По объему эксплуатационной работы (работа транспортной сети), млрд пасс.-км, метрополитены делят на 6 классов: более 3,0 — 1 класс (Москва, Лондон, Нью-Йорк, Париж, Токио); 1,5—3,0 — 2 класс (Санкт-Петербург, Чикаго, Буэнос-Айрес); 1,0—1,5 — 3 класс (Берлин, Гамбург, Мадрид, Рим); 0,5—1,0 — 4 класс (Барселона, Бостон, Осака, Стокгольм, Торонто, Филадельфия); 0,2—0,5 — 5 класс (Киев, Тбилиси, Вена, Милан и др.); менее 0,2 — 6 класс (Баку, Афины, Будапешт, Глазго, Ливерпуль, Осло, Новосибирск и др.).
Безопасность движения поездов метрополитена достигается системой автоблокировки и автостопов, которые включаются автоматически при проезде запрещающего сигнала светофора.
Существуют две принципиально различные схемы метрополитенов: с пересечением линий в одном уровне и с независимым движением поездов по каждой линии при их пересечениях в разных уровнях. В нашей стране предпочтение отдано второй. При этом проектируются схемы в виде отдельных диаметров, пересекающих город в центральной части, с дополнением кольцевыми линиями. В местах пересечения линий устраиваются пересадочные узлы или совмещенные пересадочные станции. При необходимости организуется «зонное движение» с увеличенным числом поездов в центральной части города.
Характеристики метрополитенов России на 2006 г.
Таблица 1.2
Город Год начала строительства Общая протяжен ность, км Количество линий Количество стан ций Объем перевозок в сутки, тыс. чел. % от общ. объема пассажирских пе ревозок в городе Инженерногеологические условия Основное строительнотехнологическое оборудование
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Москва 1932 284,9 11 171 9600 59 Весьма сложные: от плывунов (мощностью до 30 м) до скальных грунтов с большими водопри-токами и гидростатическим давлением подземных вод (до 0,3 МПа) Отечественные механизированные щиты, щит «Вайс унд Фрейтаг», комбайны ГПКС, ГПК Е-134 фирмы «Паурат», комплексы фирмы «Зальцгит-тер» и др. ТНУ-4, КПЭ-9,5, комплексы КМ со щитом ЩМР-1, КМ-42 и КМ-43 со щитами ЩНЭ-1М, укладчики УКВ-1 и УКВ-2 и др.
Санкт-Петербург 1941 103,8 4 59 3800 38 Весьма сложные: марены и глина, насыщенные водой, плывуны, каналы, валуны, р. Нева, опасные размывы, подземные реки, озера и пр. КТ1-5,6; ЧПП-5, ГПКС; АМК-1 и АМШ, укладчик свода УСО-1, оборудование для замораживания грунтов и др.
Продолжение табл. 1.2
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Нижний Новгород 1977 15,5 2 13 200 8,5 Средней сложности: пески от пылеватых до крупных, суглинки, глины; насыпные и намывные пески, УГВ = 8...15 м от поверхности Оборудование для водопонижения скважинами по всей длине и монолитно-прессо-ванной обделки; комплексы со щитами ЩМ-17 и ЩМ-17М, ККТС-20 и др.
Новосибирск 1979 14,4 2 12 250 17 Средней сложности: расчлененность мелкими речками, оврагами, р. Обью, насыпные и глинистые грунты Механизированные щиты КТ-5,6Д2 (впервые в стране), КМ-43, ККТС-20, пневмопробойники ПУМ-3, ДИП-900; ТПК фирмы «Ловат» (Канада) и др.
Самара 1980 8,7 1 8 160 5,4 Средней сложности: насыпные, глинистые, мергелистые, выветрелые до рухляков доломиты, высокий уровень грунтовых вод ТПК КП-96 D=5,6 м, КТ-5,6Д2, экскаватор Э-5015, ПК ГПКС, оборудование для полузакрытого способа, комплексы КМ-42 и КМ-43 со щитами ЩНЭ-1 и ЩНЭ-2
Екатерин-бург 1978 9,6 1 7 — 5 Сложные: сильно трещиноватые грунты с крутопадающим напластованием ТПК «Вирт», «Паурат», торкрет-установка «Алива», бетононасос «Швингт», опалубка «Тиссен», НАТМ на станции «Геологическая», комплексы КМ-42 и КМ-43 со щитами ЩНЭ-1 и ЩНЭ-2
Окончание табл. 1.2
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Омск 1992 — — — — — Средней сложности: высокий У ГВ, грунты глинистые, мергелистые водонасыщенные, воды агрессивные к бетону, подтопляемая территория города Оборудование для специальных способов: водопонижение, механизированные щиты КТ-5,6Б2, ТЩБ, «СГ»
Челябинск 1977 — — — — — Сложные: неустойчивые обводненные грунты, большие водопритоки, разломы Оборудование для технологии НАТМ, шлаколитные тюбинги (рекомендованы ТПК фирмы «Ловат»), оборудование для тампонажа грунтов, щитовой комплекс КМ-34
Красноярск 1993 — — — — — Сложные: песчаники, алевролиты, мергели, известняки, лессовые просадочные суглинки и супеси, гидростатическое давление до 0,45 МПа КТ-5,6Д2, ЩН с БВР, укладчики ТНУ, КМ-15Гп, оборудование для цементации; ТПК фирмы «Ловат» (Канада)
Уфа 1997 — — — — — Благоприятные: глины, суглинки, супеси, песчаники малообводненные КТ-5,6Б2 и др.
Казань 1997 8,7 1 5 — — Сложные: пески, глины, суглинки, доломиты, известняки, песчаники сильно обводненные, с давлением до 0,3 МПа ТПК фирмы «Ловат», «Вирт»; КТ-5,6 В2; ЩНЭ-2М и др.
Развитие новых видов скоростного внеуличного городского транспорта. Стремительное развитие Москвы в 80—90-е годы прошлого века с освоением под жилую застройку территорий, расположенных за пределами Московской кольцевой автомобильной дороги, потребовало решения транспортной проблемы этих районов нетрадиционными способами. Перед правительством Москвы встала задача создания подвозящих видов скоростного транспорта с присущими метрополитену удобствами, но требующих меньших затрат на строительство [2].
Рассматривались системы трамвая, скоростного трамвая и наземного (легкого) метрополитена. Выбор остановили на последнем варианте. Легкий метрополитен призван осуществлять быструю и комфортную переброску меньших по сравнению с классическим метрополитеном пассажирских потоков (до 20 тыс. чел./ч) из удаленных и тяготеющих к ним пригородных районов к узловым станциям метрополитена.
С другой стороны, в уже сложившейся исторической части города возникают потребности в обеспечении общественным транспортом направленных пассажиропотоков, формирующихся в городе в свете новых экономических условий.
В качестве ярких примеров, иллюстрирующих эти тенденции, можно выделить направления Московский международный деловой центр «Москва-Сити» — транспортный узел ст. «Киевская» и «Москва-Сити» — аэропорт «Шереметьево» (рис. 1.6).
В первом случае принято решение о проектировании и строительстве мини-метро — транспортного сооружения под отличающийся от традиционного метрополитена подвижной состав, который позволяет более гибко вписать трассу линии в условиях плотной городской застройки с развитой подземной инфраструктурой инженерных коммуникаций и интегрировать действующие линии метрополитена. Эта линия должна обеспечить связь делового центра с транспортными артериями столицы и выступить альтернативой индивидуальному транспорту при передвижении по центру города.
Во втором случае, при проектировании скоростной транспортной системы (СТС) стоит задача максимального использования существующей наземной транспортной инфраструктуры — в проект закладываются идеи симбиоза нескольких транспортных систем. Это элементы и легкого метро, и железнодорожного транспорта, и метрополитена.
Рис. 1.6. Многофункциональный международный деловой центр со скорост ной транспортной системой (СТС) «Москва Сити» аэропорт «Шереметьево»
Все три рассмотренные транспортные системы по самой постановке задачи максимально естественным образом связаны с метрополитеном. Их совместимость через пересадочные транспортные узлы, возможность маршрутизации требуют новых принципиальных технических решений, применения новых материалов и технологий.
Мини-метро. Идея создания нового скоростного внеуличного вида транспорта возникла в связи с необходимостью оперативно соединить современным внеуличным транспортом Московский международный деловой центр (ММДЦ) «Москва-Сити» с системой действующего метрополитена. Она была воплощена в виде облегченного варианта метрополитена (мини-метро), технико-экономическое обоснование которого для Москвы было разработано Метрогипротрансом в 1996 г. [2, 36, 121] .
Мини-метро — это тот же метрополитен, но более маневренный, для которого нужен тоннель меньшего внутреннего диаметра, что дает значительную экономию при строительстве (меньше объем выемки грунта и расход материала на обделку, выше скорости проходки). Принципиальные отличия мини-метро от традиционного метрополитена заключаются в следующем: подвижной состав миниметро имеет вагоны длиной около 15м (вместо 20 м), что позволяет составу преодолевать более крутые кривые, чем обычный метрополитен (радиусы 150—200 м вместо 300—600 м). Длину станций в мини-метро при шестивагонном составе можно сократить до 90 м (в обычном метрополитене — 130 м). Уменьшены объемы станционных сооружений.
Эти отличия дают возможность проектировать мини-метро в любых градостроительных условиях. Его технические параметры, а также применение передовых конструкций и технологий (композиционные шпалы-коротыши с упругими виброизоляторами; новые системы движения поездов, сигнализации и связи и др.) дают снижение стоимости строительства в 1,6 раз (до 40—45 млн долл. США за 1 км линии). Правда, пропускная способность мини-метро на 30—40 % ниже обычного, но оно задумано не как конкурент, а как вспомогательный вид транспорта, призванный разгрузить центральные участки линий действующего метрополитена и дать возможность пассажирам быстро доехать до пункта назначения без вынужденного заезда в центр города.
Трассу линии мини-метро в Москве проектировали из условия размещения станций в наиболее важных пассажирообразующих пунктах с учетом сложившейся планировочной структуры районов и перспективы развития городской застройки. Ее положение в плане и профиле (рис. 1.7) определилось в первую очередь инженерногеологическими условиями, требованиями обеспечения безопасной
ст. «Международная» ст «Деловой центр»
ст. «Киевская»
Центральное ядро
ММДЦ «Москва-Сити»
супеси и пески различной крупности
каменноугольные глины и мергели
водоносные
каменноугольные известняки
Рис. 1.7. Продольный профиль (а) и план (6) первоочередного участка мини метро от ст. «Киевская» до ст. «Деловой центр»
проходки тоннелей под Москва-рекой, а также расположением построенной в составе центрального ядра ММДЦ «Москва-Сити» станции «Деловой центр», открытой 11 сентября 2005 г. Осенью 2006 г. будет сдана в эксплуатацию ст. «Международная».
Однако принцип минимизации транспортообразующих устройств при строительстве мини-метро в Москве был реализован не в полной мере. В частности, вместо тоннелей с DHap= 4—4,5 м были пройдены тоннели с £>нар= 5,6 м. Принятые изменения были обусловлены прежде всего тем, что трасса первой линии мини-метро от станции «Киевская» до ММДЦ «Москва-Сити» интегрирована в Филевскую линию действующего метрополитена. При этом участок длиной 3,05 км из 5,95 км общей протяженности является участком совместной эксплуатации. Кроме того, строительная организация СМУ «Ингеоком» не располагала щитами и конструкциями водонепроницаемых тоннельных обделок соответствующего нестандартного (для перегонных тоннелей) диаметра £>нар= 4—4,5 м.
Станция «Деловой центр», расположенная в самом нижнем ярусе ММДЦ, является пересадочным узлом, где в одном уровне пересекаются три линии — Калининская, Солнцевская и мини-метро. Здесь шесть путей с платформами, сеть пересадочных галерей. В техническом отношении станция имеет обычное конструктивное решение, но архитектурно очень интересна и оригинальна: станции пересадочного узла не отделены одна от другой, перед глазами пассажира открывается огромное пространство (рис. 1.8). От станции «Александровский сад» поезда будут уходить поочередно: мини-метро — через ММДЦ до «Москва-Сити», обычного метрополитена — по Филевской линии. Впервые в Москве будут построены станции без боковых посадочных платформ, с совмещающимися дверями, как на станциях Василеостровской линии в С.-Петербурге, где из центрального зала пассажиры сразу попадают в вагон.
Легкое метро. В конце декабря 2003 г. в Москве открылось движение на первой линии так называемого легкого метрополитена, включающей в себя пять станций. Одна из них — «Улица Старокачаловская» — является пересадочной на станцию обычного метрополитена «Бульвар Дмитрия Донского» Серпуховско-Тимирязевского направления и построена под землей, остальные четыре — «Улица Скобелевская», «Бульвар Адмирала Ушакова», «Улица Гор-чакова» и «Бунинская аллея» — расположены на эстакаде (рис. 1.9).
Рис. 1.8. Интерьер станции «Деловой центр»
Рис. 1.9. Перспектива Бутовской линии легкого метро
Предполагается, что на первом этапе эксплуатации легкое метро будет перевозить 912 тыс. пассажиров в час — более 58 млн пассажиров в год. Учитывая, что микрорайоны Южное и Северное Бутово будут постоянно разрастаться, в ближайшее время намечено сдать в эксплуатацию еще три станции этого направления. В перспективе предусмотрено проложить ветку в сторону Калужско-Рижской линии, соединив легкое метро со станцией «Битцевский парк», а также приступить к строительству второй трассы легкого метро от станции «Юго-Западная» до района Новопеределкино.
Легкий (надземный, эстакадный) метрополитен, как и обычный, имеет стандартную колею и нижний токосъем, что обеспечивает возможность интеграции этих систем.
При этом объемы работ и стоимость строительства эстакад взамен тоннелей существенно ниже. Если 1 км трассы традиционного метро обходится в среднем в 70 млн долл. США, то легкого — в 18 млн долл.
Вагоны легкого метро серии 81-740/741 вместимостью 265 чел., сочлененные из двух секций, имеют длину 28 м (на восемь метров длиннее вагона обычного метрополитена). Сочлененная конструкция позволяет пропускать подвижной состав в кривых с радиусом 200 м. В вагонах установлены системы отопления и вентиляции с автоматическим регулированием, внутренняя отделка — из негорючих пластиковых панелей.
В целях сокращения затрат времени на пересадку конечные станции обычного и легкого метро устраивают в одном уровне и совмещенными в одном из вестибюлей станции обычного метро. Планировочное решение пересадочной станции (с обычного метро на легкое) «Бульвар Дмитрия Донского» традиционное — с островной платформой и подземными вестибюлями, размещенными по торцам (рис. 1.10). В то же время имеется ряд особенностей [2, 119].
Ширина платформы принята 12 м. На ней устроена лестница, ведущая на балконы, расположенные над путями (как на станции «Комсомольская-радиальная») и соединенные с кассовыми залами. Пути Бутовской линии легкого метро расположены по обеим сторонам станционного комплекса, а между ними — пути Серпуховско-Тимирязевской линии обычного метрополитена.
Метротрамвай. Несмотря на бесспорные достоинства метрополитена (комфортабельность, скорость и др.), пассажир из-за необ-
РАЗРЕЗ ПО ПЕРЕСАДОЧНОМУ УЗЛУ
I пассажирская зона Серпуховско-Тимирязевской линии
П пасажирская зона Бутовской линии
О пассажирская зона Серпуховско-Тимирязевской и Бутовской линий
СП
Рис. 1.10. Пересадочная станция легкого метро Бутовской линии
ходимости перемещения по платформам, коридорам, лестницам и эскалаторам накапливает транспортную усталость. Это существенно уменьшает скорость передвижения пассажира по маршруту (до 25 км/ч), безопасность поездки и ее привлекательность. Средством, способным повысить скорость, комфортабельность и безопасность поездки, дать пассажиру гарантии точного по времени прибытия в выбранный пункт, сделать поездку экономичной и привлекательной, может быть метротрамвай. Он соединяет в себе преимущества, которыми по отдельности обладают метрополитен и трамвай. В частности, посадку и высадку пассажиров метротрамвай производит как трамвай — на поверхности земли, а для основного движения он, как метропоезд, спускается в подземный тоннель (рис. 1.11).
Профиль спуска выбран таким, чтобы силы, действующие на пассажира, взаимно компенсировались, а пассажир чувствовал себя комфортно даже при скорости 90 км/ч. Точно так же противоположные силы взаимно компенсируются при торможении. Подъехав под землей к станции, метротрамвай выезжает на поверхность, доставив пассажиров от «места до места». Пассажиры практически не испытывают транспортной усталости, движение происходит плавно, без рывков и толчков, которые ощущаются в трамвае и поезде метро.
При таком способе движения экономится электроэнергия за счет использования кинетической энергии, приобретенной подвижным составом перед подъемом на поверхность, в потенциальную энергию в процессе подъема. При этом потенциальная энергия на следующем перегоне вновь используется метротрамваем для движения. За счет этого метротрамвай расходует в два раза меньше электро-
Рис. 1.11. Схема работы метротрамвай:
1 станция; 2 вагон метротрамвай; 3 спуск; 4 тоннель; 5 подъем; h высота спуска и подъема, h 10 15 м
энергии, чем метропоезд, а значит, и себестоимость поездки на нем меньше. Важным преимуществом метротрамвая является безопасность перевозок. Через каждые 60—80 с (время движения по тоннелю) пассажир каждый раз оказывается на поверхности, а это значит, что риск гибели людей от возможного пожара в тоннеле или от нехватки кислорода практически исключен.
Провозная способность линии метротрамвая составляет половину от провозной способности метрополитена. Поэтому данный вид скоростного транспорта можно рекомендовать и для городов с населением до 1 млн чел. в качестве альтернативы метрополитену. Таким образом, метротрамвай как скоростной, комфортабельный, экологически чистый и более дешевый, чем метрополитен, вид транспорта может оказаться очень выгодным для горожан.
Наибольшее применение метротрамвай нашел в Германии, где его называют штадтбаном (городской железной дорогой). Он действует в Кельне, Штутгарте, Франкфурте-на-Майне, Ганновере, Эссене, Дортмунде, Бохуме, а также на урбанизированных территориях.
Скоростной трамвай. Наряду с метротрамваем, в некоторых городах мира, например, в Бостоне, Буффало, Ванкувере, Сан-Франциско (США) и у нас в стране (Волгоград) находит применение скоростной трамвай (метротрам) с использованием тоннелей. Скоростной трамвай использует обычный подвижной состав, но изолированную проезжую часть, с пересечениями с другими транспортными магистралями в разных уровнях. Ведение скоростного трамвая на линии осуществляется водителем в пределах прямой видимости (без устройств автоблокировки). Скоростной трамвай, часто называемый облегченным рельсовым транспортом, появился и развивался на основе инфраструктуры метрополитена. В городах с метрополитеном скоростной трамвай сооружают в секторах между его линиями, от конечных станций метро в пригороды; в городах без метрополитена — в виде сети с подземными участками в центральных районах. Полностью подземные трамвайные линии не практикуются; тоннельные участки сооружают под улицами, перегруженными наземным транспортом, и для преодоления неровностей рельефа.
Строительство скоростного трамвая обходится более чем в 10 раз дешевле метрополитена, поэтому есть случаи, когда после постройки первой линии метро в дальнейшем транспортные проблемы реша-
Подземный участок линии трамвая
О-" действующий
-о- строящийся
—□— перспективный
Наземный участок линии трамвая действующий
строящийся
ются с помощью трамвая (Амстердам, Лос-Анджелес).
В нашей стране линия скоростного трамвая действует и продолжает строиться в Волгограде. I очередь скоростного трамвая в Волгограде протяженностью 13,5 км (в т.ч. подземный участок 3,5 км) соединила 3 района — Тракторозаводский, Краснооктябрьский и Центральный [31]. На трассе расположены 12 станций, из них 3 — подземные (рис. 1.12).
Общую протяженность линии скоростного трамвая в Волгограде планируется довести до 24 км.
Монорельсовая дорога. К первым разработкам эстакадных монорельсовых дорог за рубежом относят проекты навесных дорог Пальмера, Фишера, Сержента, Лартинга и др.
Первая в России скоростная монорельсовая дорога длиной 4,7 км — между станциями метро «Тимирязевская» и «ВДНХ» в Москве. Для сооружения дороги разработаны конструкции с использованием отечественных материалов и технологий, а также специальный подвижной состав с
Рис. 1.12 Схема развития скоростного трамвая в Волгограде
применением некоторых комплектующих из-за рубежа. Изначально был выбран эстакадный вариант дороги с высотой по низу конструкций пролетных строений 4,5—5 м. По оценке специалистов НИИПИ экологии Москвы, именно такой вариант обеспечивает органичное вписывание в городское про
странство и в общегородскую транспортную сеть, а также минимальное воздействие на окружающую среду и застройку. Так, первая линия монорельсовой дороги в Москве проходит без особых проблем над линиями Октябрьской железной дороги и над рядом улиц с интенсивным движением. Пассажирские вагоны, оснащенные линейными асинхронными электродвигателями на магнитном подвесе, перемещаются почти бесшумно.
13. Методики обоснования строительства метрополитена
Статистическая теория П.И. Балийского. Одной из первых методик, обосновывающих необходимость строительства метрополитенов, явилась методика П.И. Балинского, автора проектов метрополитенов в Петербурге (1901 г.) и Москве (1902 г.). П.И. Балинский, статистически обобщив данные по урбанизации Великобритании, Германии, Франции, Австро-Венгрии, США и других зарубежных стран, выявил закономерности развития городов и пришел к следующим выводам:«.. .города можно и необходимо классифицировать по численности населения; города с миллионным или превышающим его населением представляют собой желательное явление, препятствовать которому нет оснований. Необходимая длина транспортной сети при развитии города возрастает пропорционально квадрату радиуса города (расстоянию от городского центра до окраины). Для решения проблем городского пассажирского транспорта (ГПТ) в крупном городе возможны два наиболее существенных приема: массовая перепланировка и перестройка города и использование рациональных способов массовых передвижений. Для обеспечения массовых городских перевозок пассажиров невозможно обойтись без внеулич-ных видов ГПТ, в первую очередь — метрополитена».
Выступая с проектами метрополитена как системы внеулично-го транспорта, позволяющей избежать разрушения представляющих историческую ценность уникальных зданий и сооружений, П.И. Балинский вместе с тем не отрицал целесообразности реконструкции городских территорий [15, ч. 1; 59].
Основываясь на своих исследованиях, П.И. Балинский пришел к выводу: при увеличении площади города для более рационального передвижения жителей недостаточно соответственного удли
нения существующих радиальных путей сообщения по всем направлениям, а необходимо приступать к созданию дополнительной сети перпендикулярных и параллельных линий, обеспечивающих потребности жителей новых кварталов. Подчеркивая значимость установленных положений, он говорил о неприемлемости решения вопроса наивыгоднейшей трассировки новых линий только путем продолжения существующих радиальных направлений.
Продолжая теоретические исследования применительно к крупным городам, П.И. Балинский провел сопоставления показателей развития Москвы и Петербурга с наиболее развитыми городами Запада по разработанной методике. Приведенными цифрами Балинский проиллюстрировал отставание российских городов в развитии сопричастных тому времени способов передвижения, отсутствие должного обслуживания окраин и, как следствие, неудовлетворительные условия социальной жизни — жилищные, продовольственные и транспортные. Анализируя последнюю из этих проблем, Балинский обратился к разработке специальных диаграмм, характеризующих рост городов в зависимости от развития средств массовых передвижений за столетний период — с 1800 по 1900 гг. Он составил диаграмму по 45 городам с населением менее миллиона жителей и отдельно — по 18 крупнейшим в тот период городам с населением в миллион и более человек. Именно Балинский впервые утверждал, что такая населенность является критической и в этих городах необходим метрополитен.
П.И. Балинский установил, что увеличение числа жителей городов за столетие являлось функцией развития путей сообщения и что в тех городах, где надлежащего развития способов массового передвижения не было, медленный естественный прирост населения происходил без заметного увеличения территории.
Сопоставление роста населения в зависимости от развития городских путей сообщения было выполнено Балинским на обобщающем графике. Один из его выводов заключается в том, что появление новых видов транспорта не исключает усиленного роста ранее сформировавшихся систем. В исследованиях большое внимание уделено децентрализации перенаселенных территорий С.-Петербурга и Москвы, благоустройству окраин, улучшению жилищных условий и др.
Заслуга П.И. Балинского в том, что он показал исключительную целесообразность сооружения метрополитенов в крупнейших городах России и, чтобы добиться признания своих разработок, теоретически обосновал их статистическими расчетами и проиллюстрировал примерами из мировой практики.
Методика «Метрогипротранса». Анализу различных аспектов развития отрасли метростроения посвящена разработанная по инициативе правительства России «Комплексная программа развития и размещения метрополитенов в России». Генеральным разработчиком программы определен институт «Метрогипротранс» с привлечением специализированных проектных и научных организаций. В рамках программы была создана состоящая из пяти разделов «Методика определения социально-экономической эффективности строительства метрополитена», позволяющая объективно оценить необходимость и актуальность сооружения столь крупного транспортного объекта в том или ином городе [15, ч.1; 52].
1 раздел. Существующее состояние городского пассажирского транспорта. При сравнении городов по состоянию развития городского пассажирского транспорта (ГПТ) используют показатели, отражающие социальную потребность в развитии транспортных систем и учитывающие необходимость освоения таких пассажиропотоков, которые не могут быть реализованы уличными видами транспорта. С другой стороны, увеличение дальности транспортных передвижений в связи с ростом городов требует введения метрополитена или другого скоростного внеуличного транспорта. С этих позиций указанные показатели являются синтезом социальных и градостроительных предпосылок. Показателями служат: численность населения, сложившиеся пассажиропотоки; площадь застроенной территории; транспортная подвижность населения (число поездок в год); средняя дальность поездки; максимальные пассажиропотоки в зоне проектируемого метрополитена и т.п.
Каждому показателю определяется порядковое место в группе по балльной системе. Город с наименьшим числом баллов обладает наибольшим приоритетом. Остальным городам в порядке возрастания суммы баллов отводятся последующие места.
2 раздел. Расчетный прогноз развития метрополитена и моделирование работы транспортных систем. Основная цель раз
дела — определить ожидаемые объемы пассажирских перевозок и размеры потоков на элементах системы массового пассажирского транспорта.
В разделе отражены показатели: затраты времени на трудовые и культурно-бытовые передвижения в час пик и за сутки для города в целом и отдельных его районов; дальность поездок на массовом и индивидуальном транспорте; объем перевозок на наземном и вне-уличном транспорте и результаты моделирования по крупным российским городам более чем по 70 показателям.
3 раздел. Оценка остроты транспортной проблемы на основе статистических и проектных данных. Раздел включает в себя блоки: градостроительный (предпосылки к созданию системы скоростного внеуличного ГПТ в зависимости от плотности расселения); социальный (затраты времени и степень удобства поездок, безопасность движения, соблюдение ПДК в городской атмосфере); эффективность работы транспортной системы.
Задача раздела — на основе имеющихся для каждого города данных о существующей работе наземного пассажирского транспорта и перспективных проектных проработок найти подход к сравнительной оценке «остроты» транспортной проблемы.
4 раздел. Обоснование социально-экономической эффективности строительства метрополитенов. Масштабы, темпы и очередность строительства метрополитенов в городах России должны определяться экономической целесообразностью, т.е. эффективностью капитальных вложений. Переход к рыночным отношениям обусловливает необходимость иметь методику определения эффективности капитальных вложений в системы ГПТ, которые учитывают условия конкуренции между различными его видами, возможность свободы выбора населением наиболее эффективных транспортных услуг, изменения спроса пассажиров в зависимости от объема и структуры их доходов и других факторов.
В этой связи особую актуальность приобретает изучение теории и практики оценки эффективности систем ГПТ в экономически развитых странах, где отказываются от одностороннего подхода, ориентированного только на рентабельность.
В основе оценки эффективности инвестиционных проектов лежит показатель внутренней нормы доходности, позволяющий
принимать решения о целесообразности вложений средств в условиях динамичности технико-экономических параметров проекта во времени. Этот показатель определяется аналитически как пороговое значение рентабельности, которое обеспечивает равенство нулю интегрального потока наличности, рассчитанного за экономический срок жизни инвестиций. Проект считается рентабельным, если внутренняя норма доходности не ниже порогового значения.
Расчеты показывают, что величина внутренней нормы доходности затрат более высока в тех городах, где уже функционирует метрополитен. Особенно значителен этот показатель в Москве (0,41) и Санкт-Петербурге (0,34), в других городах он достигает 0,17—0,21 (2000 г.). Во второй группе городов (где метрополитены проектируют или начали строить) коэффициент внутренней эффективности составляет 0,15—0,19.
5 раздел. Оценка состояния готовности производственных баз строительных организаций и проектной документации. Совокупность оценок в разработанной методике позволяет выстроить анализируемые города по очередности в необходимости сооружения метрополитена. В приоритетном ряду лидерами являются Челябинск и Омск, затем следуют Красноярск, Пермь, Ростов-на-Дону, Казань, Уфа.
1.4. Программа развития метрополитенов и других видов скоростного внеуличного пассажирского транспорта в крупнейших городах России
Как показали результаты расчетов по описанной методике «Мет-рогипротранса», возможности при проектировании, строительстве и эксплуатации российских метрополитенов далеко не исчерпаны. Научный, технический, производственный и промышленный потенциалы отечественного метростроения значительны и позволяют обеспечить дальнейшее развитие отрасли в новых регионах страны. Учитывая это, распоряжением Правительства РФ от 12 октября 2000 г. было принято решение, которым Минтрансу России совместно с Госстроем России и Минэкономразвития России предлагалось рассмотреть программы развития метрополитенов, представленные органами
исполнительной власти субъектов РФ, в которых осуществляется строительство метрополитенов; разработать и до 1 января 2003 г. представить в установленном порядке в правительство РФ «Программу развития метрополитенов и других видов внеуличного транспорта в Российской Федерации до 2015 года». Данное решение было поддержано Госстроем России и в последующем согласовано с Минтрансом России, Минэкономразвития России и Минфином России.
В соответствии с этим распоряжением правительства Минтранс России направил материалы для разработки программ 24 субъектам Федерации — в Москву, С.-Петербург, Нижний Новгород, Новосибирск, Самару и Екатеринбург (где эксплуатируются метрополитены); в Омск, Челябинск, Красноярск, Казань и Уфу (где вновь строятся метрополитены); в Волгоград (где эксплуатируется и развивается скоростной трамвай с подземной частью); в Ростов-на-Дону и Пермь (где разработаны ТЭО на строительство метрополитенов), а также в Воронеж, Курск, Орел, Тулу, Ульяновск, Хабаровск, Краснодар, Иркутск, Саратов и Ижевск (где планируется решать транспортные проблемы посредством внеуличного городского транспорта). В итоге к 2002 г. программы были разработаны, утверждены и представлены в Минтранс России только по 12 городам, где ведется строительство метрополитенов, на основании которых была отработана единая «Программа развития метрополитенов и других видов скоростного внеуличного транспорта в Российской Федерации до 2015 года». Программа прошла согласование в заинтересованных федеральных органах и представлена на экспертизу в АНО «Инвестстройметро».
Программой определены основные цели и задачи развития внеуличного транспорта, которыми являются улучшение транспортного обслуживания населения за счет развития метрополитенов и других видов скоростного внеуличного транспорта, повышение качества транспортных услуг, снижение затрат на функционирование метрополитена при поддержании минимального уровня услуг; обеспечение минимальных нормативов транспортной подвижности населения.
Большое внимание в Программе уделено ресурсному обеспечению программных мероприятий. Отмечено, что реализация про
граммных мероприятий осуществляется за счет финансовых ресурсов, привлекаемых из различных источников: средств федерального бюджета, средств бюджетов субъектов Российской Федерации, внебюджетных источников. Определено, что средства федерального бюджета в первоочередном порядке должны направляться на обеспечение ввода линий метрополитенов и поддержание выработок в безаварийном состоянии.
Программой предусмотрено в период с 2003 по 2015 г. осуществить строительство с вводом в эксплуатацию 235,8 км линий метрополитена (в двухпутном исчислении) со 141 станцией. В результате реализации мероприятий по развитию метрополитенов общая длина линий к 2015 г. увеличится в 1,6 раза, а объем перевозок возрастет в 1,4 раза.
Программой предусмотрено также развитие и строительство других видов скоростного внеуличного транспорта: в Волгограде — развитие существующего скоростного трамвая с подземными участками; в Санкт-Петербурге — строительство новых линий скоростного трамвая, наземного рельсового экспресса; в Москве — строительство мини-метро, легкого метро и монорельсовой транспортной системы.
Разработанная Программа развития метрополитенов и других видов скоростного внеуличного транспорта в Российской Федерации до 2015 г. была согласована с правительством Российской Федерации 19 марта 2003 г.
Контрольные вопросы к главе 1
1. Какие технические разработки и изобретения способствовали строительству первого метрополитена в Лондоне?
2. Какими основными трудностями характеризовалось строительство первой линии метрополитена в Москве?
3. В каких городах России действуют и сооружаются метрополитены?
4. Какие факторы определяют разные условия строительства метрополитенов в различных городах?
5. Какие существуют типы традиционного метрополитена?
6. Каковы преимущества метрополитена и других видов внеуличного пассажирского транспорта перед наземными?
7. В чем различия традиционного метрополитена, мини-метро и легкого метро?
8. Что отличает метротрамвай от скоростного трамвая?
9. Какие существуют виды внеуличного пассажирского транспорта, кроме метрополитена?
10. В чем заключаются основные положения статистической теории П.И. Балинского?
11. Из каких разделов должно состоять обоснование строительства метрополитена по методике «Метрогипротранса»?
12. Что предполагает Программа развития метрополитенов и других видов скоростного внеуличного транспорта в городах России до 2015 г.?
Глава 2. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ОСНОВНЫХ СООРУЖЕНИЙ
И УСТРОЙСТВ МЕТРОПОЛИТЕНА
2.1. Сооружения метрополитена
Метрополитен представляет собой сложнейший комплекс инженерных сооружений (рис. 2.1), которые по их функциональному назначению можно разделить на основные и вспомогательные (технологические).
К основным сооружениям метрополитена относят: путевые—для обеспечения движения поездов (перегонные тоннели, камеры съездов, тупики и т.п.), а также станционные комплексы, предназначенные для обслуживания пассажиров при их посадке и высадке (платформенная часть станции, вестибюли, сооружения и устройства для межуровневого и горизонтального перемещения пассажиров — лестницы, переходные мостики, эскалаторы, лифты и т.п.).
К вспомогательным (технологическим) устройствам метрополитена относят: рельсовый путь; контактный («третий») рельс; электротехнические устройства (электроподстанции, кабели, силовые установки, освещение); устройства автоматики и телемеханики, сигнализации и связи; санитарно-технические устройства (вентиляции, водоснабжения, водоотвода и канализации) и др.
Основу метрополитена составляют искусственные сооружения — тоннели, станции, мосты, эстакады и др. [ 111 (п. 3.1), 112 (п. 1.1)].
Способы и технологии строительства сооружений зависят от заложения линии (рис. 2.2). При этом расстояние от поверхности земли до верха конструкций станционного комплекса подземных сооружений метрополитена принимают не менее суммарной толщины дорожного покрытия и теплоизоляционного слоя, обеспечивающих защиту сооружения от промерзания; над перегонными тоннелями на участках пересечения магистральных улиц и дорог это расстояние — не менее 3,0 м.
Выбор типа конструкций сооружений осуществляют на основе сравнения вариантов, исходя из объемно-планировочных решений,
Рис. 2.1. Схема размещения сооружений на участке линии метрополитена:
1 тупик, 2 камеры съезда на глубоком заложении; 3 станции метрополите
на закрытого способа работ; 4 наклонный эскалаторный тоннель; 5 назем ный вестибюль станции; 6 санузел с дренажной перекачкой; 7 перегонные тоннели; 8 подземный вестибюль станции открытого способа работ; 9 стан ция открытого способа работ; 10 подуличные переходы с лестничными схода ми и входами в вестибюль станции метро; 11 камера съезда за станцией откры того способа работ; 12 участки перехода перегонных тоннелей от мелкого зало
жения к выходу на поверхность; 13 выходные пути из тоннелей; 14 деповские
пути на поверхности; 15 депо метрополитена; 16 вентиляционные сбойки; 17 вентиляционный (подходной) тоннель; 18 вентиляционный (рабочий) ствол
Рис. 2.2. Схема способов сооружения метрополитена:
1 и 2 станции и перегонные тоннели закрытого способа работ; 3 и 5 станции открытого способа работ; 4 перегонные тоннели мелкого заложе ния закрытого способа работ; 6 перегонные тоннели мелкого заложения открытого способа работ
глубины заложения, инженерно-геологических, климатических и других местных условий, с учетом принятых способов производства работ.
Обделки должны иметь замкнутые конструкции из железобетонных элементов заводского изготовления или из монолитного бетона и железобетона. Чугунные тюбинги используют для сооружений, возводимых закрытым способом, в условиях, когда железобетонные обделки не могут обеспечить необходимую водонепроницаемость или в других условиях, обусловливаемых производственной необходимостью. Устройство однослойных обделок из набрызгбе-тона допускается в монолитных скальных грунтах в сочетании с сеткой, анкерами, металлическими арками или с армированием фибрами. При раскрытии выработки в скальных грунтах по частям возможно применение обделок в виде свода переменной жесткости из монолитного бетона, опирающегося на облегченные стены и на грунт.
Сборные обделки тоннелей в несвязных водоносных или слабых (текучих, текучепластичных и мягкопластичных) глинистых грунтах, сборные обделки смежных станционных тоннелей в нескальных грунтах, а также сборные обделки, располагаемые на расстоянии менее 2 м от подстилающих водоносных песчаных или слабых глинистых грунтов, должны иметь связи растяжения и собираться с перевязкой швов. Для сооружений, эксплуатируемых в условиях большого гидростатического давления (свыше 0,3 МПа) или знакопеременных температур, могут применяться сборно-монолитные сталебетонные обделки в виде блоков металлоизоляции с арматурными каркасами, бетонируемыми после их монтажа в процессе проходческих работ.
На станциях в местах изменения типа конструкции, вида грунта в основании или резкого изменения нагрузок на обделку необходимо предусматривать устройство деформационных швов, расстояние между которыми следует принимать не более 60 м.
Материалы для обделок тоннелей и их гидроизоляции, внутренних строительных конструкций, а также отделочные материалы должны отвечать требованиям прочности, долговечности, огнестойкости, устойчивости ко всем видам агрессивных воздействий внешней среды и иметь установленные законодательством сертификаты.
2.2. Путевые сооружения и устройства
Перегонные и путевые станционные тоннели. На основе генеральной схемы развития сети метрополитена города устанавливают направление и протяженность трассы каждой линии метрополитена и ее положение в плане и профиле. Линии метрополитена в плане размещают по кратчайшим направлениям, как правило, вдоль магистралей города. Величину радиусов кривых в плане на главных путях линий принимают не менее 600 м, в исключительных случаях — не менее 300 м. При этом наружный рельс должен иметь возвышение над внутренним рельсом: в тоннелях — за счет поднятия наружного рельса на половину требуемой величины и опускания на ту же величину внутреннего рельса, а на открытых наземных участках — за счет поднятия наружного рельса на полную величину требуемого возвышения [34, 39, 112 (п. 1.2)].
Продольный уклон закрытых наземных участков линии, а также путей метрополитена должен быть не менее 3 %о. В отдельных случаях допускается располагать пути метрополитена на горизонтальной площадке, однако и в этом случае продольный уклон водоотводного лотка должен быть не менее 2 %о. На подземных, а также закрытых наземных участках продольный уклон линии и путей допускается не более 40 %о (как правило, до 38 %о), а на открытых наземных участках — не более 35 %о. В особых случаях на одном или двух смежных участках общей протяженностью не более 1500 м допускается при соответствующем обосновании продольный уклон до 45 %о [93 (гл. 9), 105 (п. 16.6), 111 (гл. 4)].
Путь и путевые устройства в тоннелях метрополитена. Путь в тоннелях метрополитена, так же как и на открытых участках, состоит из нижнего и верхнего строения. В тоннелях с круговой обделкой нижним строением пути является монолитное бетонное или сборное железобетонное основание в лотке тоннеля. К верхнему строению пути (ВСП) относят рельсы, рельсовые стыки, промежуточные рельсовые скрепления, стрелочные переводы, подрельсовые основания, путевой бетон или балластный слой. Все элементы ВСП, составляющие единую конструкцию, служат для восприятия воздействия колес подвижного состава и передачи этого воздействия на нижнее строение пути. В качестве подрельсового основания приме
няют: деревянные шпалы и шпалы-коротыши; деревянные брусья для стрелочных переводов и перекрестных съездов; железобетонные шпалы. Деревянное подрельсовое основание должно быть пропитано антисептиками, не проводящими электрический ток [66 (п. 12.1), 93 (гл. 14), 105 (п. 16.5, 19), 111 (гл. 7)].
Путевые рельсы изготавливают из специальной стали, которая обеспечивает их достаточную жесткость, гибкость, твердость, износоустойчивость. Длина стандартных рельсов 25 м. Рельсы главных путей на прямых и кривых подземных участках радиусом 300 м и более сваривают электроконтактным способом в плети длиной до 300 м. Рельсы укладывают на шпалы, соединяя их промежуточными рельсовыми скреплениями. Между подошвой рельса и шпалой укладывают прокладки. При укладке путей метрополитена применяют два вида скреплений', нераздельные — рельс вместе с подкладкой прикрепляют к деревянной шпале одними и теми же шурупами, раздельное — рельс прикрепляют к подкладке одними прикрепителями, а подкладку к шпале — другими, например, промежуточное раздельное скрепление с клинчатыми (1:20) подкладками «Метро» и КД-65 [93, рис. 14.5, 14.6].
Промежуточные рельсовые скрепления должны обеспечивать: электрическую изоляцию рельсов от нижнего строения пути, тоннельной обделки, путевого бетонного слоя, железобетонного подрельсового основания; возможность быстрой смены рельсов и регулировки их положения по высоте при подрельсовом основании, уложенном на путевом бетонном слое.
Поперечный профиль поверхности путевого бетонного слоя должен обеспечивать отвод воды от рельсов, промежуточных скреплений и подрельсового основания. В пределах пассажирских платформ подземных станций по оси пути устраивают для отвода воды лоток шириной 0,9 м и глубиной 0,5—0,6 м от уровня головки рельсов [93, рис. 14.3].
Для путевого бетонного слоя следует предусматривать бетон класса В 12,5, для балластного слоя — щебень из природного камня скальных грунтов марок И20, И40 по прочности на истирание. Наименьшая толщина бетонного и балластного слоя под деревянным подрельсовым основанием на прямых участках должна составлять 16 и 30 см соответственно.
На Петербургском метрополитене предложено подрельсовое основание в виде железобетонных опор, замоноличенных в путевой бетон, с модифицированным рельсовым скреплением типа «Метро» для рельсов Р50 (рис. 2.3). Разработка нового типа опоры была вызвана необходимостью упрощения работ по замене шпал, пришедших в негодность. Опыт текущего содержания показал, что замена деревянных шпал на деревянные же в период кратковременного ночного окна неэффективна в связи с трудоемкостью и малой производительностью работ. Поиск альтернативной конструкции пути и методов замены шпал привел к созданию железобетонной опоры [54].
Экономическая эффективность новой конструкции подрельсового основания обеспечивается, несмотря на более высокую (в 2 раза) себестоимость опор, за счет снижения стоимости устройства пути, трудоемкости его текущего содержания и замены шпал, увеличения срока их службы более чем в 2 раза.
Рис. 2.3. Подрельсовое основание в виде железобетонной опоры с модифици рованным скреплением типа «Метро»:
1 рельс Р50; 2 штырь; 3 подкладка литая раздельного скрепления;
4 прокладка АОП 316; 5 закладная деталь; 6 железобетонный блок
СГ 1; 7 шурупы путевые; 8 прокладка фанерная; 9 прокладка ОП 317
При движении поездов от их воздействия на путь, кроме вертикальных сил, возникают силы, направленные вдоль пути, — силы у гона, которые увлекают рельсы по ходу движения поездов. Для предотвращения такого перемещения рельсов на них устанавливают специальные противоугоны, нижняя часть которых (фартук, якорь) прижимается к боковой поверхности шпал, препятствуя смещению рельсов.
С левой стороны по ходу движения поездов на линиях метрополитена устанавливают контактный рельс (КР), служащий проводником тока и осуществляющий скользящий контакт с токоприемниками электрического подвижного состава (см. [111, рис. 1.20]). Стыки контактного рельса устраивают сварными или металлическими (на накладках). Сварные стыки применяют для соединения контактных рельсов длиной по 12,5 м электроконтактным способом в рельсовые плети длиной до 100 м в тоннелях и до 37,5 м на наземных (и надземных) участках линии и в электродепо.
2.3. Устройства для межуровневого и горизонтального перемещения пассажиров
Основной резерв повышения эффективности перевозочного процесса на метрополитене — совершенствование перемещения пассажиропотоков на станциях, так как возможности оптимизации движения поездов уже практически исчерпаны. В сложившихся условиях решающее значение в обеспечении необходимой пропускной способности приобретают подъемные устройства, соединяющие уровень платформы станции с наземной поверхностью. Среди устройств межуровнего перемещения пассажиров на станциях метрополитенов мира наибольшее применение получили: наклонные эскалаторные подъемники, пассажирские конвейеры и лифты [39, 93 (гл. 11, 15), 104].
Эскалаторные подъемники. Впервые принципиальная идея эскалатора — наклонного непрерывного транспортера для перемещения пассажиров — была запатентована более ста лет тому назад, в 1892 г. в Нью-Йорке.
В 1912 г. старейший в мире Лондонский метрополитен первым применил эскалаторы на станциях глубокого заложения.
Консервативные британцы восприняли новшество без энтузиазма и долгое время предпочитали пользоваться привычными многоместными лифтами.
Москвичи впервые познакомились с эскалаторным подъемом в октябре 1934 г. на открытых испытаниях 20-метрового 140-ступен-чатого эскалатора для сооружавшейся тогда станции «Охотный ряд», созданного практически без участия зарубежных фирм на Ленинградском заводе «Красный Октябрь» (ныне ЗАО «ЛАТРЭС»).
В соответствии с СНиП 32-08 [87] и СП 32-108 [92], эскалаторы на станциях и в коридорах между станциями следует предусматривать при высоте подъема, начиная с 3,5 м и больше. Число эскалаторных лент определяют расчетом, исходя из следующих условий: пропуск максимального расчетного потока пассажиров в режиме их эвакуации в экстремальных условиях; вывод одного эскалатора в ремонт; остановка одного эскалатора по непредвиденным причинам. При сооружении станции с одним вестибюлем в наклонном ходе предусматривают четыре эскалатора, с двумя вестибюлями — в первом устанавливают четыре эскалатора, во втором — по расчету, но не менее трех. При применении эскалаторов только для подъема количество их должно быть не менее двух в наклонном тоннеле.
В наклонных тоннелях при благоприятных инженерно-геологических условиях, при наличии требований, вытекающих из планировочных решений вестибюлей, и при технико-экономических обоснованиях разрешается устройство двухмаршевых эскалаторов с промежуточным залом. При этом количество эскалаторов в каждом марше должно быть одинаковым.
Типовые эскалаторные тоннели с чугунной тюбинговой обделкой имеют сечения овальной формы с диаметрами: для трех эскалаторов — 7,5/7,0 м при ширине кольца 1 м, для четырех эскалаторов — 9,5/8,8 м при ширине кольца 0,75 м. На Петербургском метрополитене приняты параметры соответственно 10,5/9,8 м при ширине кольца 0,75 м.
Конструкция эскалаторов этого типа позволяет устанавливать их в наклонных тоннелях с межосевым расстоянием 2080 мм, продиктованным минимально допустимой шириной проходов между ними и минимальным расстоянием от крайнего эскалатора до стены сооружения [93, рис. 15.1].
Рис. 2.4. Вертикальная схема компоновки подземного сооружения с эскала торными и лифтовыми подъемами:
а два наклонных эскалаторных тоннеля; б лифтовый подъемник и эскалаторный тоннель; в два лифтовых подъемника; г три лифтовых
подъемника
Длина эскалаторного тоннеля при нормативном угле наклона 30° составляет (рис. 2.4, а):
£э т = 7// sina = 27/, (2.1)
а горизонтальная проекция
Ап э= Н / ctga = 1,737/. (2.2)
При других схемах (рис. 2.4, б, в, г) протяженность выработок существенно сокращается.
Вдоль оси эскалаторного тоннеля длина зоны сдвижения грунтового массива толщи грунтов до поверхности (угол сдвижения 45°)
L3 с = 1,737/ + Н = 2,73//. (2.3)
Для обслуживания одним эскалаторным тоннелем подземного сооружения на глубине 60 м от поверхности необходимо выполнить большой объем горных работ (табл. 2.1).
Подземные сооружения, согласно общепринятым подходам, в целях безопасности людей должны иметь два независимых выхода на поверхность. При двух эскалаторах объемы работ, приведенные в табл. 2.1, удваиваются.
Дальнейшие направления повышения надежности эскалаторов: совершенствование конструкции, регулирование скорости движения
Таблица 2.1
Объемы основных работ при сооружении эскалаторных тоннелей
Показатель Объем работ при диаметре тоннеля, м
7,5/7 9,5/8,8 10,5/9,8
Длина эскалаторного тоннеля, м 120 120 120
Выемка грунта, м3 5298 8205 10 386
Чугунные тюбинги, т 1461 2563 2834
Сталь, т 8,04 9 10
Сборный железобетон, м3 112 120 133
Монолитный бетон, м3 32 32 32
лестничного полотна, автоматические — пуск в зависимости от пассажиропотока и остановка при падении пассажиров, дистанционный контроль тормозных характеристик и сборных узлов и деталей.
Понижение скорости движения лестничного полотна в непиковые часы дает возможность сократить эксплуатационные расходы, увеличивать межремонтные пробеги и общий срок службы эскалаторов. Большое внимание уделяется телемеханизации эскалаторного хозяйства, которой в настоящее время оснащены практически все метрополитены России.
ЗАО «ЛАТРЭС» в настоящее время выпускает тоннельные эскалаторы типов ЭТ12, ЭТ5М и ЭТ5М1. Предприятие готово также поставлять уникальные сверхглубокие эскалаторы типа TL750 с высотой подъема до 75 м. В их конструкции использованы коррозионностойкие несварные ступени и усиленные тяговые цепи, смазка которых не требуется в течение длительного времени. При разработке этого типа эскалаторов учтены большинство проблем эксплуатации. Особое внимание обращено на воздействие агрессивных сред (воды и солевых растворов), а также на долговечность и надежность работы отдельных узлов.
Пассажирские лифты. Как уже отмечалось, нередки случаи, когда эскалаторные подъемники в часы пик не справляются с пассажиропотоками. На некоторых станциях приходится ограничивать вход и выход, вплоть до полного прекращения доступа пассажиров, что неприемлемо. Большинство станций закрытого способа работ на метрополитенах России имеют по одному трехленточному (реже — четырехленточному) эскалаторному тоннелю. Именно поэтому в настоящее время принято решение об обязательном
оснащении станций метро (как проектируемых, так и действующих) вторыми входами.
Сооружение наклонных тоннелей в качестве вторых, а иногда и третьих входов, особенно в зоне сложившейся плотной городской застройки (при строительстве с применением спецспособов), сопряжено с большими затратами и трудностями. Кроме того, эскалатор трудоемок и дорогостоящ в обслуживании и ремонтах, а также требует строгого соблюдения порядка пользования. Поэтому в новых нормах [87] указывается, что «на станции в одном из вестибюлей следует предусматривать грузопассажирский лифт, установка которого должна проектироваться по отдельному заданию и специальным требованиям», а также лифты и подъемно-транспортные устройства для инвалидов.
Вопрос о целесообразности применения пассажирских вертикальных лифтов на станциях метрополитенов был поставлен Ленметро-политеном еще в 1986 г. Изучение пассажиропотоков метрополитенов Санкт-Петербурга и Москвы позволило уточнить конкретные исходные данные для последующих расчетов. Получены обобщенные формулы, по которым определяются параметры кабин по этажности и вместимости для разных режимов функционирования, построена номограмма для определения оптимального количества лифтов второго входа.
К рассмотрению были приняты одноэтажные кабины на 50 и 75 человек и двухэтажные вместимостью 2x50 и 2x75 человек. Общее количество лифтов — 4, в том числе 3 в работе и 1 в ремонте. Расчетная скорость подъема — 4 м/с при глубине от 40 до 100 м.
Из расчетов следует, что по производительности трехлифтовый подъем с кабиной 1x50 чел. при высоте до 60 м эквивалентен одной ленте эскалатора, а при кабине 2x50 чел. — двум.
Необходимая площадь пола лифтовой кабины при норме 6,25 чсл./м2 (0,16 м2/чел.) составит 8 м2 при вместимости 50 чел. и 12 м2—для 75 чел. Исходя из этого, следует выбирать форму и размеры лифтов в плане так, чтобы при типовых диаметрах обделок перегонных, станционных или эскалаторных тоннелей можно было разместить не меньше двух лифтов с противовесами при соблюдении нормативных зазоров между кабинами и крепью (обделкой) или элементами арми-ровки ствола.
Для оценки возможности размещения лифтов в вертикальных стволах разного диаметра, соответствующего типовым размерам чугунных тюбинговых обделок, выполнены ориентировочные расчеты, результаты которых представлены в [111, табл. 7.2].
При разработке схем размещения двух лифтов в стволе необходимо обеспечить независимый подъем каждой кабины (с индивидуальным противовесом) и возможность беспрепятственного перехода людей из одной кабины в другую при аварийных ситуациях. Этим требованиям в наибольшей мере удовлетворяет консольное армирование, которое способствует максимально возможному сближению кабин в плане, наименьшим величинам расхода стали на армирование и аэродинамическому сопротивлению ствола. Центральная его часть при этом остается свободной для спуска-подъема крупногабаритного оборудования при ремонтных работах или устранении аварийных ситуаций. Необходимые для нормальной эксплуатации четыре лифта (3 лифта в работе, 1 в ремонте) могут быть размещены в двух стволах (рис. 2.5, а) или в одном (рис. 2.5, б).
Боковое расположение противовеса относительно кабины наиболее удачно для многоканатного подъема и проходной схемы посадки-высадки пассажиров. При этом создаются благоприятные условия для регулирования пассажиропотоков и работы подъема [104].
Лифтовый ствол относительно станции метрополитена может быть расположен на оси пассажирской платформы (рис. 2.6, а), в стороне от нее (рис. 2.6, б) или комбинированно, что зависит от характера застройки на поверхности, расположения трассы линии и соотношения диаметра ствола и ширины платформы.
При заданных размерах лифтовых кабин в первом случае рационально совмещать уровень пола верхнего этажа лифта с уровнем пола платформы, а для входа-выхода с нижнего этажа устраивать местные лестничные сходы (см. рис. 2.6, а). При боковом расположении ствола целесообразно уровень пола нижнего этажа совмещать с уровнем пола подходного коридора 7 (см. рис. 2.6, б), а для сообщения с верхним этажом устраивать лестничные сходы.
Одноствольный вариант с четырьмя лифтами (см. рис. 2.5, б и 2.7) может быть целесообразен при невозможности размещения двух стволов по условиям городской застройки или по иным причинам.
Рис. 2.5. Схемы размещения лифтов в стволах:
а в двух стволах; б в од ном стволе; 1 обделка ство ла; 2 проем в обделке; 3 кабина лифта; 4 проводник;
5 противовес; 6 тросы мно гоканатного подъема; 7 дверь кабины лифта; 8 эвакуацион ная дверь; 9 консольный расстрел
Рис. 2.6. Схемы размещения лифтовых стволов относи тельно колонной станции: а на продольной оси пасса жирской платформы; б сбоку от станции; 1 лифтовый ствол; 2 двухэтажная каби на лифта; 3 пассажирская платформа; 4 лестничный сход к нижнему этажу кабины; 5 турникет накопителя пас сажиров; 6 накопитель пас сажиров; 7 подходной коридор к лифтовому стволу
Рис. 2.7. Схемы бокового расположения лифтового подъема:
а одноэтажный; б двухэтажный; 1 подходной коридор; 2 аванзал; 3 дверь проема лифтового ствола; 4 кон сольный расстрел с двумя проводниками;
5 дверь кабины лифта; 6 эвакуаци онная дверь; 7 ветви канатов парных лифтов подъема; 8 двухмаршевый лестничный сход на нижний этаж
Расположить такой ствол на оси пассажирской платформы не всегда возможно по габаритным соображениям, особенно при двухэтажной кабине лифта, поскольку ширина аванзала (и островной платформы соответственно) должна быть больше наружного диаметра ствола на 6 м. При его диаметре 9,5 и 7,5 м это дает соответственно 15,5 и 13,5 м. При боковом расположении ствола относительно станции (см. рис. 2.6) планировка возможна (стрелками на рисунке показаны направления пассажиропотоков). Использование для каждой из 4 клетей отдельной подъемной машины и про
тивовеса в этом случае нецелесообразно. Лучшим решением является применение парных клетей (с двухконцевым подъемом). Такое решение позволяет использовать 2 подъемные машины вместо 4 и исключить противовесы. Кроме того, при аварийной остановке одной пары лифтов эвакуация пасса
жиров может быть осуществлена другой парой аналогично варианту с двухлифтовым стволом.
Несмотря на некоторые недостатки лифтовых подъемников (отсутствие опыта проектирования, изготовления и эксплуатации большегрузных лифтов, цикличность работы, обязательность башенного копра и др.), они способны заменить даже четырехленточные эс
калаторы и имеют перед ними определенные преимущества, в том
числе: существенное уменьшение размеров зоны влияния в массиве и снижение вдвое объемов горно-строительных работ при проходке ствола; снижение расхода материалов и затрат на сооружение внутритоннельных конструкций; экономия электроэнергии при эксплуатации благодаря возможности регулирования количества работающих лифтов и режимов их работы и др.
Пассажирские конвейеры. Почти одновременно с наклонным эскалатором появился и его горизонтальный «родственник» — пассажирский конвейер (он же траволатор, травелейтор, движущийся тротуар). Первое устройство такого рода было показано на Промышленной выставке 1893 г. в Чикаго. Бесконечная лента из эластичного материала, на которую можно легко войти и выйти в любом месте, помогала многочисленным посетителям преодолеть 1,3 км пути от теплоходной пристани до основных павильонов со скоростью 5 км/ч.
Обширная территория Парижской выставки 1900 г. была окружена деревянной кольцевой эстакадой протяженностью около 4 км; на ней располагались уже две параллельные ленты «пассажирских транспортеров». Наружная лента, как и в Чикаго, двигалась со скоростью пешехода; посетители, которым предстоял сравнительно долгий путь, могли перейти с нее на внутреннюю, перемещающуюся в два раза быстрее. За полгода работы выставки этот необычный вид транспорта перевез около 7 млн пассажиров, обслуживая в отдельные дни по 90—100 тыс. человек.
Пассажирские конвейеры, нашедшие широкое применение на зарубежных метрополитенах, помогают решению многих задач. Оборудование пассажирскими конвейерами пересадочных узлов наиболее распространено, причем схемы их установки различны. В Париже, например, на станции «Шатле» их сделали смежными и установили по центру подземного коридора с пешеходными проходами вдоль стен. На станции «Монпарнас» вся ширина перехода занята тремя пассажирскими конвейерами, средний из которых включают только в часы пик. При этом направление движения реверсируют в зависимости от интенсивности пассажиропотоков по направлениям.
В 1979 г. один из коридоров от станции метро к железнодорожному вокзалу в Лионе был оборудован первым в мире быстроходным пассажирским конвейером, два других — обычными. В ряде
случаев быстроходные тротуары способны заменить линию метро, продолжив ее или отведя маршрут в сторону от одной из станций.
Пассажирские конвейеры могут быть не только горизонтальными, но и наклонными (до 12°). В этом случае они являются средством межуровневого сообщения и используются вместо эскалаторов. Их преимущество — в удобстве перевозки пассажиров с громоздким багажом, который трудно разместить на ступенчатом полотне, с детскими или инвалидными колясками и т.д. Установка движущихся тротуаров для связи вестибюлей метро с залом железнодорожного вокзала Париж-Норд, например, позволила многим пассажирам отказаться от услуг носильщиков.
В Москве в 60-х—начале 70-х гг. неоднократно выдвигалась идея соединить пассажирскими конвейерами в тоннелях мелкого заложения многочисленные подземные переходы под крупнейшими улицами и проспектами. Более экономичный проект предусматривал устройство конвейеров в наземных застекленных галереях, проходящих по дворам и переулкам параллельно центральным магистралям. Устройство движущихся тротуаров планировалось и на многих пересадочных узлах, но пока ни один из этих проектов так и не получил реального воплощения. Специфический недостаток такого эскалатора — потребность в большом пространстве для обратного хода ступенчатого полотна, затрудняющая «вписывание» машины в проекты конкретных сооружений.
2.4. Станционные комплексы метрополитена
Объемно-планировочные решения и глубина заложения станций. Для посадки, высадки и пересадки пассажиров, а также для производства необходимых операций по обслуживанию пассажиров и организации движения поездов на линиях метрополитена в пассажирообразующих местах города строятся станции [39, 93 (гл. 10), 105 (гл. 17), 111 (гл. 5), 112 (п. 1.3)].
По высотному расположению относительно поверхности земли и по способу сооружения станции подразделяют на: подземные станции глубокого заложения, сооружаемые закрытым способом; подземные станции мелкого заложения, сооружаемые открытым или полузакрытым способами работ; наземные станции, а также надземные, устраиваемые на эстакадах (рис. 2.8).
Выбор глубины заложения при строительстве метрополитенов определяется по совокупности целого ряда факторов, которые можно разделить на две основные группы: строительные и эксплуатационные. К первой группе факторов относятся градостроительные и гидрогеологические условия, рельеф местности, конструкции и способы производства работ, удобство возведения, строительная стоимость и т.п. Во вторую группу факторов входят удобства для пассажиров, безопасность, надежность, затраты времени пассажирами, реализуемые скорости сообщения и передвижения, эксплуатационные затраты и т.д.
Рис. 2.8. Схематические продольные разрезы и планы станции метрополитена:
а наземная (в открытой выемке); б мелкого заложения; в глубокого заложения; I внутристанционный путь пассажира от вестибюля до центра платформы
Капитальные затраты на строительство станций глубокого заложения, как правило, в 2—3 раза выше, чем на строительство станций мелкого заложения. Это связано прежде всего с необходимостью строительства и оборудования на них эскалаторных комплексов с большой высотой подъема. Так, по данным французских метростроителей, капитальные затраты на строительство 1 км наземных линий метрополитена, линий мелкого и глубокого заложения находятся в соотношении 10:17:34. Вместе с тем станции глубокого заложения менее удобны для пассажиров, прежде всего по затратам времени на спуск и подъем, которые в 1,5—3 раза больше, чем на станциях мелкого заложения (по 2,1—2,7 с на каждый метр глубины в зависимости от скорости движения лент эскалатора 0,91—0,75 м/с соответственно).
При проектировании станций, возводимых закрытым способом, определение их местоположения связано, в основном, с расположением в плане эскалаторных тоннелей и местом расположения вестибюля, так как остальные сооружения станционного комплекса располагаются независимо от существующей застройки города.
Экономически оправдано и удобно для пассажиров совмещение оси эскалаторного тоннеля с осью станции (рис. 2.9, а\ однако в определен-
Рис. 2.9. Схема примыкания эскалаторного тоннеля к поперечной камере: а в торец станции; 6 сбоку продольной оси станции; 1 боковой станци онный тоннель; 2 поперечная камера; 3 перегонные тоннели; 4 натяж ная камера; 5 эскалаторный тоннель; 6 подходной тоннель; 7 лестничный спуск на платформу
ных условиях, преимущественно при применении односводчатых станций, имеющих ширину платформы 8—9 м, эскалаторы в плане могут располагаться и под значительным углом к оси станции (рис. 2.9, б). В этом случае связь натяжной камеры с платформой станции осуществляется через поперечные камеры и переходы над путевыми тоннелями с лестничными маршами или эскалаторами малого подъема.
Станции необходимо располагать: в плане — на прямых участках пути, в профиле — по возможности на возвышениях на односкатном продольном уклоне, равном 3 %о.
Вестибюли станций в зависимости от градостроительных, архитектурно-пространственных и климатических условий принимают наземного или подземного типов. Пассажирские платформы, согласно указаниям СНиП 32-08 [87], могут приниматься островными или боковыми, а размеры станционных сооружений должны быть не менее величин, приведенных в табл. 2.2.
Выходы из подземных вестибюлей следует предусматривать в подуличные пешеходные переходы, длина которых не должна быть более 100 м. Для станций, расположенных у вокзалов, предусматривают возможность сообщения с железнодорожными платформами или вокзальными помещениями без выхода на поверхность.
Станции закрытого способа работ. Все станции метрополитена закрытого способа работ имеют, как правило, сводчатое очертание: одно-, двух-, трех- и многосводчатое.
Таблица 2.2
Минимально допустимые размеры станционных сооружений
Показатель Размер по плоскости облицовки, м
Ширина островной платформы: односводчатая станция 10,0
колонная станция 12,0
Ширина боковой платформы 4,0
Расстояние от края платформы: до колонн 2,5
до облицовки пилонов и стен в беспроемных частях станции при железобетонной обделке 2,9
при чугунной обделке 3,2
Ширина проходов между боковым и средним залами станции 2,5
Трехсводчатые станции. На отечественных метрополитенах преимущественное распространение имеют трехсводчатые станции — пилонные и колонные. В последние годы стали широко применяться также пилонно-колонные и колонно-стеновые конструкции.
Трехсводчатые станции закрытого способа работ состоят из трех смежных тоннелей. На станциях пилонного типа, где поперечные сечения тоннелей не пересекаются, их соединяют проходами; на колонных станциях стыковые узлы пересекающихся сводов обделки тоннелей опирают на колонны через прогоны или сдвоенные клинчатые перемычки. При этом средний тоннель используется в качестве распределительного пассажирского зала. Его длина определяется множеством факторов, в том числе схемой примыкания к станции эскалаторных тоннелей.
Опыт строительства станций пилонного типа из сборного железобетона в сухих или слабовлажных плотных глинах (типа протерозойских и спондиловых) на Санкт-Петербургском и Киевском метрополитенах показал принципиальную возможность и целесообразность их применения вместо станций с чугунной обделкой.
Обделки пилонных станций из сборного железобетона собирают из ребристых блоков (бетон класса В35, марка по водонепроницаемости не ниже W6) диаметром 8,5 м с шириной колец 0,75 м. Станции пилонного типа из монолитного бетона и железобетона, нашедшие применение при строительстве первой очереди Московского метрополитена («Красные ворота», «Охотный ряд», «Лубянка»), в силу ряда серьезных недостатков (большой объем бетонных работ, большая трудоемкость, малая механовооруженность и др.) не нашли дальнейшего развития и в настоящее время не строятся.
Заслуживает внимания проект станции «Бажовская» в Екатеринбурге, выполненный специалистами ОАО «Уралгипротранс» (рис. 2.10). В отличие от действующих аналогичных станций без боковых посадочных платформ в Санкт-Петербурге, разработанный вариант в конструктивном отношении может быть отнесен к пиленному типу [24]. При этом отсутствие пассажирских платформ в боковых тоннелях позволяет уменьшить их наружный диаметр до 5,5 м.
Обделка среднего тоннеля может быть выполнена из любых строительных материалов (чугунные, железобетонные тюбинги, монолитный железобетон).
Рис. 2.10. Проект станции метро пиленного типа
Путевые тоннели имеют обделку из незамкнутых чугунных тюбингов шириной 1,0 м с монолитными железобетонными вставками шириной 610 мм в районе проходов (дверей вагонов) и 770 мм в районе сцепок между вагонами.
Нагрузку от разомкнутых колец обделки путевых тоннелей воспринимают продольные балки (металлические или железобетонные), выполненные при проходке путевых тоннелей на месте установки тюбингов типа «К».
Объединение путевых и среднего тоннелей в станцию выполняется аналогично конструкции пилонного типа (проходы и пилоны).
Ширина прохода принята 2,61 м, ширина проема при открытых станционных дверях — 1,81 м, дверей вагона — 1,208 м, неточность остановки поезда допускается 0,3 м.
В проемах устраивают двери, оборудованные автоматической централизованной блокированной системой управления, обеспечивающей надежность действия, безопасность для пассажиров и минимальную стоянку поездов.
Подплатформенное помещение среднего тоннеля используется для прокладки коммуникаций и размещения в нем необходимых служебных помещений.
К торцам станции примыкают эскалаторные тоннели.
Технология сооружения станции закрытого типа аналогична пилонным.
Широкое применение на линиях отечественных метрополитенов получили трехсводчатые станции колонного типа с обделкой из чугунных тюбингов. Такие станции, в отличие от пилонных, решены в едином объеме, что обеспечивает большие удобства для пассажиров и позволяет создать подземное сооружение с выразительным архитектурным ансамблем и впечатляющим интерьером.
Первые колонные станции Московского метрополитена («Маяковская», «Комсомольская-кольцевая», «Курская-кольцевая», «Китай-город» и др.), несмотря на удачные объемно-планировочные и архитектурные решения (высшие оценки на международных выставках получили: в Нью-Йорке в 1939 г. — станция «Маяковская» Московского метрополитена, в Брюсселе в 1959 г. — станция «Технологический институт» Ленинградского метрополитена), отличались большой металлоемкостью и значительными трудозатратами при строительстве.
Все эти станции, так же как и станции 2—4-й очередей Московского метрополитена, конструировали на основе чугунных обделок наружным диаметром 9,5 м, что не позволяло конкурировать им с пилонными станциями, имеющими обделки с D = 8,5 м.
Первые попытки перейти на использование конструкций станции колонного типа с обделкой D = 8,5 м оказались неудачными из-за трудностей разработки конструкции перекрытия продольных пролетов между колоннами. При диаметре обделки 9,5 м эти пролеты перекрывались стальными прогонами, размещенными внутри боковых тоннелей [111, рис. 5.28], чего нельзя было сделать при использовании обделки с D = 8,5 м, поскольку высота прогона не позволяла получить минимально допустимую высоту прохода между колоннами. Именно поэтому специалисты Метрогипротранса предложили новый принцип проектирования колонных станций, в основу которого было положено применение для проемной части станции, как и на станциях пилонного типа, клинчатых перемычек, перекрывающих пролеты между колоннами и входящих в состав несущей обделки тоннелей. При этом перемычки не занимают дополнительную высоту и монтируются непосредственно при проходке тоннелей станции.
Первой колонной станцией с клинчатыми перемычками, построенной на Московском метрополитене из стандартных элементов обделки D - 8,5 м, применяемых в пилонных станциях, включая фасонные тюбинги перемычек рам проемов, была станция «Площадь Ногина» (ныне «Китай-город»). Пролеты между колоннами на ней перекрыты сближенными перемычками смежных тоннелей (боковых и среднего). Более совершенные конструкции станций Московского метрополитена «Пушкинская», «Кузнецкий мост», «Марксистская» и др., благодаря применению в конструкциях средних тоннелей тюбингов обделки диаметром 9,5 м и увеличенному шагу колонн, имеют расширенный средний зал неполной длины. Для сокращения расхода чугунных тюбингов в лотковой части всех трех тоннелей этих станций чугунные тюбинги заменены железобетонными лотковыми блоками, а для обеспечения гидроизоляции обделки плоская поверхность железобетонных блоков, обращенная внутрь тоннеля, покрыта чугунными плитами, заанкеренными в бетон. В радиальных торцах блоков расположены закладные детали для болтового соединения со смежными тюбингами [97, рис. 10.4, а\.
Как показали исследования, проведенные ЦНИИСом при строительстве станции с клинчатыми перемычками, их конструкция работает пространственно, причем клинчатые перемычки преимущественно работают вдоль оси тоннелей, а замкнутые и разомкнутые кольца среднего и боковых тоннелей — поперек продольной оси станции. На основании изложенного выбрана новая расчетная схема, позволяющая рационально расположить материал в обделке, а именно: в плоскости колонн (пилонов) поперек станции замкнутые кольца среднего и боковых тоннелей монтируют из усиленных чугунных тюбингов типа 85 НВ, а в разомкнутых кольцах устанавливают облегченные — типа 85 НЛО. Таким образом, вокруг станции образуются жесткие замкнутые кольца (зона А), которые работают поперек продольной оси (рис. 2.11, а).
Совершенствование конструкций новых станций стало проводиться по пути увеличения объема среднего зала (шире и выше, чем, например, на станции «Китай-город»), отказа от применения нижних клинчатых перемычек как малонагруженных элементов конструкции, замены узких колонн участками стен, исключения подплатформенных помещений в среднем зале, замены обратного чугунного свода монолитной железобетонной плитой.
Рис. 2.11. Схемы конструктивных элементов станций с верхними клинчатыми перемычками: а — колонно-пилонная, 6 — колонно-стеновая
Такие решения применены для станций Серпуховской и Люблинско-Дмитровской линий Московского метрополитена: колон-но-пилонных станций «Серпуховская» и «Чкаловская», колонной станции «Римская», станций «Крестьянская застава» и «Дубровка» колонно-стеновой конструкции, которые запроектированы без подплатформенных помещений в средней части. Кабели в этом случае прокладываются под боковыми платформами и в обходных кабельных коллекторах.
В поперечном сечении колонно-пилонная станция, например, представляет собой замкнутую конструкцию, состоящую из двух боковых и среднего тоннелей наружными диаметрами соответственно 8,5 и 9,5 м, связанных между собой проходами. Обделки верхних сводов боковых и среднего тоннелей опираются на колонны-пилоны из двух колец через стандартные продольные чугунные перемычки. Верхняя (пролетом 5,25 м) состоит из 7 фасонных тюбингов, нижняя — из прямоугольных тюбингов. Проемы между верхними и нижними перемычками в боковом и среднем тоннелях заполняют инвентарными тюбингами. Уменьшение целика между тоннелями до 0,75 м позволяет объединить тюбинги колонн-пилонов в единую конструкцию, усиленную армированным бетоном. По технико-экономическим показателям станции пилонно-колонного типа обладают преимуществами как пилонных, так и колонных конструкций.
Дальнейшее совершенствование конструкций станций колонного типа с обделкой из чугунных тюбингов ведется в направлении сокращения расхода чугуна за счет замены чугунных тюбингов железобетонными блоками со стальными гидроизолирующими листами. Процесс совершенствования таких конструкций хорошо прослеживается на примерах строительства Санкт-Петербургского и Киевского метрополитенов.
Одной из первых отечественных станций из сборного железобетона была станция без боковых посадочных платформ, построенная в Ленинграде [111, рис. 9.33]. В конструктивном отношении станция такого типа может быть отнесена к одной из разновидностей станций колонного типа. Принципиальное отличие этой конструкции от других заключается в том, что ее боковые тоннели предназначаются лишь для движения поездов, а средний тоннель — для размещения пассажирской платформы.
Несмотря на оригинальность инженерного решения и сравнительно низкую строительную стоимость, такие станции в силу определенных неудобств и значительных материальных затрат при эксплуатации не получили дальнейшего распространения на метрополитенах России.
Другим примером станции колонного типа с обделкой из сборного железобетона, в корне отличающейся от ранее рассмотренной, является конструкция, разработанная специалистами Ленметрогип-ротранса в начале 70-х гг. XX в.
Обделка станции представляет собой комбинацию трех прямых и трех обратных сводов из сборного железобетона, опирающихся на колонно-прогонную систему: сверху — через чугунные тюбинги 850 АС, снизу — через железобетонные блоки 85 ФБС, которые входят в состав сборных обделок боковых тоннелей [111, рис. 5.34]. Опирание верхних и обратных сводов на колонно-прогонную систему, выполненную из низколегированной стали, осуществляется через шарнирные тангенциальные стальные опорные устройства, позволяющие уменьшить эксцентриситет при передаче вертикальных нагрузок.
Применение высокопрочной толстолистовой стали и шарниров позволило уменьшить габаритные размеры металлоконструкций и разместить их в тоннеле диаметром 8,5 м и без разборки обделки.
В настоящее время ведутся работы по дальнейшему снижению металлоемкости конструкции станции: замена стальных прогонов и колонн на предварительно-напряженные железобетонные из высокопрочного бетона и др.
Примером станции колонного типа с обделкой из монолитного бетона и железобетона может служить станция Тбилисского метрополитена, сооруженная в трещиноватых скальных грунтах с/= 3—4 [111, рис. 5.32]. Здесь обделка боковых тоннелей и сводов среднего зала выполнена из монолитного бетона, а несущие конструкции в виде прямолинейных (верхних и нижних) прогонов и колонн — из железобетона.
Аналогичная станция глубокого заложения в скальных грунтах была построена в Ереване.
Опыт строительства таких станций показал, что они являются наиболее экономичными среди всех трехсводчатых стан
ций глубокого заложения как по материалоемкости, так и по общей стоимости.
Односводчатые станции. Такие станции глубокого заложения широко распространены на всех метрополитенах мира. В бывшем СССР первые конструкции односводчатых станций с двумя основными типами опорных пят — штольневыми и круговыми — были разработаны в ЦНИИСе. Исследования показали, что переход от круговых опор к штольневым дает заметное (в среднем—до 15 %) снижение стоимости сооружения, примерно вдвое сокращает расход бетона.
Специалисты считают, что значительный резерв экономии заключается в сокращении размеров поперечного сечения станции, в особенности пролета выработки. При этом облегчение конструкции свода, пропорциональное сокращению пролета, дает возможность сократить число блоков в арке и в результате ускорить монтаж обделки. Более тонкий свод позволяет применить облегченный укладчик в виде криволинейной балки и почти вдвое уменьшить высоту калоттной прорези. Последнее, в свою очередь, означает не только двойное сокращение объемов грунта на каждую заходку, но и соответствующее увеличение скорости проходки. При этом она возрастает в значительно большей степени (так как узкая калотта устраняет двухъярусную разработку забоя, ликвидируются работы по монтажу и перестановке подмостей), что обеспечивает минимальные сдвижения в горном массиве и, как следствие, минимальные осадки поверхности.
Следует отметить, что в мировой практике, да и на первых отечественных односводчатых станциях («Библиотека им. Ленина», «Аэропорт») ширина платформ была принята 8,0 м. Однако и в действовавших ранее нормативных документах, и в новом СНиПе 32-02 ширину платформ рекомендуется принимать не менее 10,0 м. В то же время, как показывает практика эксплуатации метрополитенов, решающее значение в обеспечении необходимой пропускной способности станций закрытого способа работ имеет не ширина платформы, а подъемные устройства. Использование антресолей, захватывающих поверху часть надплатформенного и надпутевого пространства, с добавлением лестничного спуска позволяет обеспечить любой пассажиропоток односводчатой станции без расширения ее платформы.
Подобные решения имеются, например, на односводчатых станциях Вашингтонского метрополитена. Платформа шириной 8 м там принята при обращении вагонов большей на 0,17 м ширины, чем на наших метрополитенах; длина платформы, рассчитанной на 9-вагонные составы, составляет 175 м. Ретроспективный анализ свидетельствует в пользу 8-метровых платформ даже без использования второго уровня.
Первые две односводчатые конструкции с многошарнирной сборной железобетонной, преднапряженной обжатием в грунт обделкой верхнего и обратного сводов, с монолитными опорами из частично заполненных бетоном перегонных пилот-тоннелей, были возведены в 1973—1975 гг. в Ленинграде (станции «Площадь Мужества» и «Политехническая») [111, рис. 5.42]. Следует отметить, что опытная конструкция станции, предложенная проектировщиками еще в 1960—1962 гг., стала основным типом станций Санкт-Петербургского метрополитена. Практика показывает, что трудозатраты и сроки сооружения такой станции почти на треть меньше пилонной, а стоимость ниже наиболее экономичной ленинградской железобетонной колонной станции [111, рис. 5.34].
На Тимирязевской линии Московского метрополитена, которая сдана в эксплуатацию 7 марта 1991 г., впервые в грунтовых условиях Москвы возведена односводчатая станция «Тимирязевская» — полносборная из железобетонных конструкций с расположением под единым сводом платформенной части. Конструкция обделки, как и на петербургских станциях, состоит из верхнего и обратного сборных железобетонных сводов с расчетными пролетами соответственно 20,5 ми 16,9 м и массивных опор из армированного монолитного бетона. Класс бетона по прочности на сжатие блоков обоих сводов — В40. С внутренней стороны элементы имеют гидроизоляционную стальную облицовку из листа толщиной 8 мм, соединенную с бетоном приваренными анкерными стержнями.
Наряду со станциями, имеющими обделку из сборных железобетонных элементов, широкое применение в устойчивых скальных грунтах находят станции с обделкой из монолитного бетона и железобетона (рис. 2.12), о чем свидетельствует, в частности, многолетний опыт подземного строительства в Грузии.
Строительство первой односводчатой станции «Политехнический институт» оказалось настолько удачным, что в последующем такой
Рис. 2.12. Односводчатые станции с обделкой из монолитного железобетона (бетона):
а с обделкой свода, опирающегося на стены; б со сводом, опирающимся на грунт
тип стал основным в Тбилисском метрополитене. В настоящее время в эксплуатации находятся 7 таких станций, а на новой линии метрополитена все 5 станций запроектированы односводчатыми.
В скальных грунтах сооружена также односводчатая станция «Геологическая» в Екатеринбурге (рис. 2.13).
По совокупности некоторых особенностей ее можно отнести к разряду уникальных: эффективное объемно-планировочное решение позволило сократить длину станционного комплекса в 1,5 раза
3
4
Рис. 2.13. Станция «Геологическая» в Екатеринбурге:
1 вентиляционный канал; 2 кабельный канал; 3 служебные помещения; 4 постоянная обделка
по сравнению с традиционным (143 м против 214 м); не имеют аналогов вантовая система крепления к своду перекрытия второго этажа над платформенной частью и система дымоудаления. По аналогии со станциями открытого способа работ Минского метрополитена служебные помещения расположены на втором этаже над пассажирской платформой и частично — в беспроемной части. Конструкция постоянной обделки станции выполнена из монолитного железобетона с внутренней металлоизоляцией.
При заложении подошвы станции в глинах или других относительно слабых грунтах усложняются конструкция и технология строительства. В этом случае необходимо сооружать мощный обратный свод, способный равномерно передавать на грунт горное давление, возникающее при раскрытии станции. В сравнительно крепких, но трещиноватых грунтах, содержащих напорные воды, обратный свод необходим только для восприятия гидростатического давления. В тех случаях, когда в основании односводчатой станции залегают
крепкие грунты, а гидростатическое давление отсутствует, лотком станции может быть горизонтальная стяжка из бетона.
Пересадочные станции закрытого способа работ. В сентябре 1997 г. на Санкт-Петербургском метрополитене введена в эксплуатацию одна из самых глубоких (70 м от поверхности) станция «Спортивная» [111, рис. 10.17] — двухъярусная односводчатая пересадочная на будущую Кольцевую линию.
Движение поездов по каждой линии в обоих направлениях производится с одной стороны станции в разных уровнях. Станция снабжена четырехленточным эскалаторным тоннелем с поверхности на верхний ярус. Сообщение между ярусами обеспечивается двумя трехленточными эскалаторами. Боковые опоры верхнего и обратного сводов забетонированы во вспомогательных тоннелях со сборной железобетонной обделкой наружным диаметром 9,8 м. Увеличенный диаметр опор позволил соорудить в них продольные вентиляционные каналы для отвода горячего воздуха (через поперечные каналы) от ходовых частей тележек останавливающегося на станции подвижного состава.
Платформы обоих ярусов сооружены из сборных железобетонных элементов. Ширина верхней платформы 11,7 м, нижней — 13,2 м. Под платформой нижнего яруса размещаются служебные помещения и кабельные коллекторы, под платформой верхнего яруса — только кабельные коллекторы. Нижний ярус в противоположном от эскалаторного примыкания конце станции в будущем будет соединен пешеходным тоннелем под р. Малая Нева, оснащенным пассажирскими конвейерами, с эскалаторным тоннелем на другом берегу реки (Васильевском острове).
В мае 2003 г. сдан в постоянную эксплуатацию участок длиной 4,7 км продолжения Арбатско-Покровской линии Московского метрополитена от станции «Киевская» до станции «Парк Победы», включая две самые глубокие в нашей стране (80 м от поверхности земли) пересадочные станции «Парк Победы», средние пути которых принимают поезда Арбатско-Покровской линии, а крайние — Строгинской [27]. Станции расположены параллельно в одном уровне и соединены между собой пересадочными коридорами (рис. 2.14).
Обе станции пилонного типа с длиной платформ 200 м рассчитаны на прием 10-вагонных составов. Ширина проемов 3,25 м, пи-
Парк Победы
пути Строгинской линии )
Рис. 2.14. Расположение двух станций «Парк Победы» с поперечной пересад кой (Московский метрополитен)
лонов — 2,0 м. Внутренний диаметр боковых тоннелей 3,85 м, среднего — 4,4 м. Станции объединены наверху одним подземным вестибюлем размером (по наружному очертанию) в плане 72 х 62 м и высотой 14 м. К вестибюлю примыкают два эскалаторных тоннеля с четырьмя лентами каждый.
Станции имеют общий вестибюль, к которому примыкает наклонный тоннель с четырьмя самыми длинными (130 м, 740 ступеней) эскалаторными лентами ЭТ-75, впервые примененными на Московском метрополитене. В самом вестибюле смонтированы еще три ленты эскалаторов ЭТ-25. С поверхностью вестибюль связан подземным пешеходным переходом, примыкающим к существующему городскому переходу с лестничными входами, расположенными по обе стороны Кутузовского проспекта.
Проект предусматривал в качестве материала обделок станции «Парк Победы» чугунные тюбинги (рис. 2.15, а). Учитывая сложности обеспечения строительства большим количеством фасонных тюбингов и недостаточную надежность гидроизоляции такой обделки при значительном гидростатическом давлении, по предложению специалистов ОАО «Трансинжстрой» запроектирована новая конструкция станции с металлобетонной обделкой (рис. 2.15, б),
Рис. 2.15. Московская станция «Парк Победы» с обделкой: а из чугунных тюбингов; б из армометаллоблоков
состоящей из объемных элементов АМБ (армированный блок металл оизоляции), в которых стальной лист металлоизоляции располагается с внутренней стороны тоннеля, одновременно играя роль металлоизоляции и рабочей арматуры.
Достоинствами таких обделок по сравнению с конструкцией из чугунных тюбингов являются: надежность гидроизоляции сооружения при повышенном гидростатическом давлении; выполнение функции временной крепи до бетонирования обделки и функций опалубки при ее бетонировании; сокращение металлоемкости в 2,0—2,5 раза; возможность изготовления АМБ на производственной базе; хорошая ремонтопригодность.
Основные узлы станционного комплекса. Несмотря на различные конструктивно-технологические решения станций метрополитена закрытого способа работ, их объединяет много общего, и прежде всего — основные узлы станционного комплекса (рис. 2.16): вестибюли, эскалаторные тоннели, натяжные камеры, платформенная часть станции, служебно-технические помещения, вентиляционные камеры и т.п.
Непосредственно у станции располагают понизительные или тягово-понизительные подстанции. В них размещаются трансформаторы, выпрямители, распределительные устройства, аккумуляторные батареи и другое оборудование.
На каждой станции сооружают выработки для санитарного узла и медицинского пункта. Их, как правило, располагают между боковыми тоннелями в конце станции на участке около 20 м.
Станции открытого и полузакрытого способов работ. К станциям метрополитена открытого и полузакрытого способов работ относят станции, сооружаемые на линиях мелкого заложения, а также наземные и надземные станции, сооружаемые на эстакадах. Станциями мелкого заложения принято считать такие, уровень платформы которых находится, как правило, не глубже 15 м от поверхности земли. Минимальная глубина заложения определяется, в основном,
Рис. 2.16. Основные узлы станции метрополитена закрытого способа работ: 1 вестибюль; 2 эскалаторный тоннель; 3 натяжная камера; 4 плат форменная (проемная) часть станции; 5 глухая (беспроемная) часть стан ции; 6 служебно технические помещения; 7 камеры дренажных перекачек;
8 вентиляционная камера
необходимостью устройства пешеходных тоннелей, располагаемых между поверхностью улицы и перекрытием перегонных тоннелей метрополитена, а также возможностью прокладки над перекрытием станции подземных коммуникаций, устройства подземной части улиц, трамвайных путей. В зависимости от этих факторов глубину заложения верха перекрытия станции обычно принимают в пределах от 1,5 до 5,0 м, но не менее глубины сезонного промерзания грунтов. В противном случае следует предусматривать теплоизоляцию сооружения, с предохранением материала теплоизоляции от увлажнения и механического повреждения [18, ч.1; 111, гл. 9].
Незначительное заглубление и минимальная высота станционных сооружений в некоторых случаях позволяют избежать устройства эскалаторных тоннелей и отказаться от наземных вестибюлей, а примыкание лестниц осуществлять непосредственно к тротуарам на улицах или к коридорам пешеходных подуличных переходов (рис. 2.17).
За более чем 70-летний период строительные конструкции станций метрополитенов открытого способа работ, постоянно совершенствуясь, претерпели существенные изменения. При этом можно отметить несколько этапов этого развития: 1 — применение мас-
Рис. 2.17. Станционный комплекс метрополитена мелкого заложения: 1 перегонные тоннели; 2 вентс бойка; 3 тягово понизительная подстанция; 4 вестибюль № 1; 5
пешеходный тоннель; 6 лестнич ный спуск; 7 платформенная часть станции; 8 вестибюль № 2; 9
вентиляционная камера; 10 вент канал; 11 вентиляционный ствол
с павильоном
сивных монолитных бетонных и железобетонных конструкций на первых очередях строительства в довоенный период; 2 — появление и развитие производства сборных железобетонных элементов конструкций в конце 50-х гг.; 3 — возврат к широкому применению монолитного железобетона на новой технологической основе в 80-х гг. Конечно, границы этих этапов условны и расплывчаты, но они характеризуют основные, преобладающие тенденции отрасли.
Возврат к конструкциям из монолитного железобетона обусловлен несколькими причинами. В частности, в связи с преимущественным развитием линий в периферийных районах города широко применяется открытый способ работ в сочетании, в основном, с конструкциями из сборного железобетона, для выпуска которого уже не хватает производственных мощностей. При этом номенклатура изделий постоянно растет, что, безусловно, не способствует разнообразию архитектурного облика и объемно-планировочных решений станций, а тенденция к обогащению архитектуры все больше будет диктовать свои условия. Технология монолитного строительства развивается и совершенствуется во всем мире, в том числе на метрополитенах России и других стран СНГ. Отработаны конструкции передвижных опалубок, позволяющих создавать станции весьма смелых и неожиданных очертаний, более прогрессивными становятся технологии изготовления и укладки бетона.
В наибольшей степени это относится к односводчатым станциям [18, ч. 1, рис. 1.3—1.5].
Наземные станции в отношении экономии пассажирского времени представляют определенный интерес, если их пространственное решение допускает устройство минимальных по высоте лестничных подъемов и спусков.
В городах с суровым климатом на метрополитенах устройство открытых наземных участков, чередующихся с тоннелями, нежелательно не только из-за возможных снежных заносов, но также по причине неблагоприятного воздействия на подвижной состав и на условия движения частых и резких смен температурно-влажностного режима. Именно поэтому на некоторых метрополитенах нашей страны и в мире строятся наземные линии и станции, перекрываемые отапливаемыми защитными галереями из прозрачных материалов, которые препятствуют не только резкому изменению темпе-
ратурно-влажностного режима, но и распространению шума от движения поездов (станции «Воробьевы горы» в Москве, «Купчино» и «Комсомольская» в Санкт-Петербурге, метрополитен в Саппоро в Японии). Одним из недостатков наземных линий и станций является нерациональная застройка городских территорий, разобщающая прилегающие к ним районы и требующая шумозащитных разрывов до жилой застройки и соответствующего удлинения (на 50—80 м) дальности подходов. Вместе с тем установлено, что шум от движения поездов по линии метро, проложенной в открытой выемке, значительно меньше, чем шум на крупной городской магистрали с интенсивным движением.
Прогрессивные решения новых линий зарубежных метрополитенов. Построенные в последние годы линии зарубежных метрополитенов — «Юбилейная» в Лондоне, «Метеор» в Париже, продолжение линии А в Риме — представлены сложными системами подземных сооружений нового поколения с конструктивными, объемнопланировочными и архитектурными решениями, создающими новую среду обитания человека в мегаполисах. Особого внимания заслуживают технические решения при строительстве Юбилейной линии метрополитена в Лондоне:
• ограждение платформ на станциях в виде прозрачных витрин из прочного стекла с раздвижными дверями в местах посадки людей. Двери ограждений платформ открываются синхронно с дверями поезда по команде машиниста при условии правильной остановки;
• аварийные выходы для пассажиров устроены в виде двух лестничных эвакуационных шахт с каждой стороны платформы, закрытые для прохода людей в режиме нормальной эксплуатации метрополитена. Посередине всех перегонных тоннелей длиной более 1 км также предусмотрены эвакуационные стволы. Аварийный выход для пассажиров — через кабину машиниста поезда;
• подавление шума и вибрации при движении поездов посредством укладки бесстыковых рельсовых путей на преднапряженных железобетонных шпалах с полимерными подушками или подкладками. На участках трассы, проходящих вблизи зданий и сооружений, рельсы с упругими подкладками уложены на основание из плавающих плит. Для подавления шума и вибрации на станциях из чугунных тюбингов в верхней части обделки установлены шумоизолирующие перфориро
ванные закладные детали, а на стенах из сборного железобетона наклеены перфорированные шумоизолирующие сегменты;
• пассажирские лифты, эскалаторы и лестницы аварийных выходов, в том числе все их поручни, короба и решетки выполнены из оцинкованных сплавов;
• для повышения выразительности архитектурных решений все металлические конструкции покрашены в яркие цвета, над выходами из метро устроены прозрачные козырьки и т. д.
Одним из самых интересных и технически сложных на всей Юбилейной линии считается объемно-планировочное решение станции «Вестминстер», расположенной под Парламентской площадью (рис. 2.18).
Рис. 2.18. Станция «Вестминстер» Юбилейной линии метрополитена в Лондоне:
1 улица Бридж Стрит; 2 новое здание Парламента; 3 Окружная и Кольцевая линии метрополитена; 4 эскалаторы; 5, 6 тоннели Юбилей ной линии восточного и западного направлений
Линия «Метеор» длиной 7 км Парижского метрополитена соединит окраины Парижа, Лионский вокзал и порт Женевилерс. Эта линия предусматривает устройство 7 пересадочных станций, в том числе станции «Маделен» [111, рис. 2.9], построенной способом «стена в грунте». На ее платформах устроены прозрачные двери из бронированного стекла, открывающиеся автоматически при остановке поезда. Движение поездов осуществляется также автоматически без машиниста. Подвижной состав имеет колеса с резиновыми вкладышами. Для предотвращения вибрации и шума по железнодорожному пути из 7 рельсов (2 рельса—токосъемные; 2 рельса с широкой полкой — ходовые; 2 обычных рельса Р18 — для отвода электрического тока и 1 рельс посередине пути — для систем автоматизации и теленаблюдения за движением поездов).
Большой интерес представляют сооруженные на Парижском метрополитене узловые и многоярусные станции. Например, конструкция объединенной станции «Дефас» прямоугольного сечения шириной 65 м и высотой 27 м из предварительно напряженного железобетона имеет пять ярусов. Первый ярус — для движения поездов, второй — для пассажирских вестибюлей, третий и четвертый—для автобусных станций, пятый — для служебных и вспомогательных помещений.
Новое продолжение линии А длиной 4,5 км метрополитена в Риме предусматривает строительство станций и перегонных тоннелей на глубине 20—25 м. Эта линия соединит густонаселенные районы города. Наземные станции «Батистини», «Корнелия», «Аурелия» и «Чипро» покрыты прозрачными навесами на металлических опорах с использованием световых фонарей.
Новые линии метрополитенов имеют различные варианты решений конструктивных, объемно-планировочных и архитектурных задач, а также мер по борьбе с шумом и вибрацией при движении поездов и работе эскалаторов, характеризуются усовершенствованными системами безопасности и эвакуации людей при пожарах, новыми системами автоматизированной посадки-высадки людей и движения поездов.
Контрольные вопросы к главе 2
1. Какие сооружения метрополитена по их функциональному назначению можно назвать основными и вспомогательными (технологическими)?
2. Как осуществляется возвышение наружного рельса на кривых участках пути в тоннелях и на открытых участках?
3. Какие линии метрополитена относят к линиям мелкого заложения, а какие — к линиям глубокого заложения?
4. В чем достоинства и недостатки эскалаторного и лифтового подъемов?
5. Чем обусловлена длина среднего зала станции?
6. В каких случаях сборные обделки тоннелей должны иметь перевязку швов?
7. Назовите основные типы конструкций станций открытого способа работ.
8. Перечислите основные этапы совершенствования конструкций трехсводчатых станций закрытого способа работ.
9. Какие прогрессивные технические решения впервые применены при строительстве новых линий метрополитенов в Лондоне, Париже, Риме?
Глава 3. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИИ В МЕТРОСТРОЕНИИ
3.1. Особенности новых технологий строительства метрополитенов
Строительство метрополитена включает в себя комплекс строительно-монтажных работ (СМР) по возведению сооружений на земной поверхности и горнопроходческих работ под землей. Совокупность операций разработки, погрузки, транспортирования грунта, крепления выработки, а также вентиляции, водоотлива, освещения и других вспомогательных процессов называют технологией проведения горных выработок, а с учетом работ на поверхности — технологией строительства подземных сооружений.
Сооружение метрополитенов в силу специфики подземного строительства и требований эксплуатации представляет собой одну из технически сложных и трудоемких областей строительного производства. В этом процессе выделяют два основных этапа:
первый — проходка выработок и возведение обделки. Это наиболее трудоемкий и дорогостоящий этап, на котором решается задача обеспечения надежности и долговечности сооружения;
второй — устройство путей, архитектурно-отделочные работы и оснащение выработок постоянными технологическими устройствами (электротехническими, сантехническими, связи и автоматики). Он призван обеспечить устойчивую и комфортабельную эксплуатацию сооружения.
При возведении заглубленных и подземных сооружений в условиях плотной городской застройки и движения наземного транспорта необходимо учитывать ряд специфических факторов. Приходится считаться с наличием зданий и сооружений на земной поверхности в зоне строительства, подземных коммуникаций городского хозяйства в виде канализации, водопровода, газопровода, телефонных и телеграфных проводов, силовых кабелей; с движением транспортных средств по проезжей части улиц и пр. Поэтому городское подземное строительство требует специального подхода, эффективных методов
и технологий, обеспечивающих максимальную производительность, безопасность, безаварийность и высокое качество СМР и горнопроходческих работ.
Строгой классификации способов проходки подземных выработок не существует. Однако различают способы: обычные и специальные; с однородным и смешанным, узким и широким, одним или двумя встречными и догоняющими забоями; сразу на полную площадь сечения или с опережающей проходкой выработки меньшего сечения; одиночным забоем или несколькими параллельно движущимися забоями, проходкой из соседней выработки и т. д.
Развитие метростроения в мире в последние годы характеризуется активным совершенствованием горнопроходческой техники и технологии. В 90-х гг. XX в. сформировались новые взгляды на строительство подземных сооружений, основанные на углубленном научном подходе к геотехническим процессам. Это нашло практическую реализацию в возникновении новых или усовершенствовании существующих технологий: норвежская практика для устойчивых крепких скальных грунтов, новоавстрийский способ для малоустойчивых грунтов, механизированные щиты с активным пригрузом забоя для неустойчивых обводненных грунтов и др.
Первые две технологии горного способа производства работ развивались в порядке рационализации американской практики сооружения тоннелей, которая характеризуется детальной разработкой проекта временного и постоянного крепления.
Норвежская практика «дешевого» тоннелестроения строится на следующих основных принципах [73]:
• трассирование тоннеля производится по залеганию геологических формаций, сложенных наиболее устойчивыми грунтовыми слоями, на основании предварительной и оперативной геологических разведок;
• проходка на полное сечение буровзрывным или комбайновым способом;
• минимальное (по мере необходимости) крепление выработки набрызгбетоном и анкерами (значительные участки оставляют без крепления);
• применение монолитной обделки лишь на отдельных, ослабленных участках;
• применение водоотводящих и антиобледенительных зонтов из легких сплавов или синтетических материалов.
На применение новоавстрийского метода при строительстве горных тоннелей полностью перешли Германия, Япония, Австрия и некоторые другие страны.
Сооружение тоннелей механизированными щитами с гидравлическим (тиксотропным) и грунтовым (шламовым) пригрузом забоя нашло широкое применение в Японии, где в 80—90-х гг. было пройдено щитами более 150 км тоннелей (67 % построенных таким способом тоннелей в мире).
Проходку тоннелей на полное сечение осуществляют с помощью высокопроизводительных тоннелепроходческих комплексов (Tunnel building machine — ТВМ), отличительными признаками которых являются: комбинирование комплекса оборудования применительно к местным условиям; регулирование процесса разработки при щадящем режиме работы рабочего органа; транспортировка грунта в нижней части агрегата с целью обеспечения свободной рабочей зоны для крепления выработки; многосекционная конструкция роторного исполнительного органа оснащена утопленными держателями резцов с возможностью замены их изнутри машины; автоматизированная система смазки; возможность быстрого демонтажа на унифицированные узлы для транспортировки.
Современные передовые (высокие) технологии, применяемые при строительстве метрополитена, несмотря на структурные различия, едины «генетически»: во всех них преобладает многоаспектное использование различных свойств массивов грунтов и управление ими, для всех характерны применение новых методов строительства и различных архитектурных и объемно-планировочных решений. Передовые технологии метростроения связаны между собой прежде всего одинаковыми технологическими приемами, оборудованием и конструкциями крепей, являющимися, в свою очередь, элементами различных индустриальных систем (рис. 3.1, вклейка).
Основными видами отечественного проходческого щитового оборудования в последние годы стали комплексы ЩМР-1; КТ1-5,6; КТ-5,6Б2; КТ-5,6Д2 и др. Имеются примеры применения щитовых комплексов зарубежного производства, в том числе фирм «Вайсс унд Фрейтаг», «Херренкнехт», «Вирт» (Германия), «Ловат» (Канада) и др.
На качественно новый уровень призвана поднять технологию сооружения перегонных тоннелей с монолитно-прессованной обделкой разработка щитового комплекса для возведения монолитной обделки экструзией бетона и гидроизолирующего поверхностного слоя при движении щита. Это решение развивает реализованную фирмами ФРГ и Японии идею создания монолитной обделки без перепрессовки бетона. Продолжаются разработки по созданию железобетонных конструкций из фибробетона с применением микрокремнезема, что позволит повысить физико-механические характеристики бетона. Конструкции будут более экономичными за счет сокращения расхода цемента, арматурной стали, повышения класса бетона по прочности на сжатие до В70. Обеспечение необходимой водонепроницаемости этих конструкций сузит применение чугуна в обделке.
В зависимости от характеристик грунтов и степени их устойчивости применяют различные виды опережающих крепей, отличающихся конструктивными особенностями и технологией возведения. В нарушенных скальных, полускальных и мягких грунтах используются экраны из труб, анкеры и нагели. При этом в водонепроницаемых грунтах с коэффициентом фильтрации менее 10 м/сут, а также в трещиноватых скальных с водопритоком более 50 м/сут можно применять искусственное замораживание. В слабых водоносных грунтах с ненарушенной структурой и коэффициентом фильтрации 0,3—10 м/сут, кроме песков, содержащих более 4 % по массе глинистых частиц или карбонатов, эффективно химическое закрепление. В трещиноватых и кавернозных скальных и полускальных грунтах, а также крупнообломочных гравелисто-галечниковых отложениях используют тампонаж. В зависимости от размеров трещин и пор, скорости движения подземных вод тампонаж производят цементным (цементация), глинистым (глинизация) растворами или битумной эмульсией (битумизация).
Фирмой «Родно» (Италия) разработана технология струйной цементации и создано специализированное оборудование, которое включает в себя буровые агрегаты, автоматические растворосмеси-тели, высоконапорные насосы для подачи воды (до 60 МПа) и цементного раствора (до 12 МПа), компрессоры и различные инъекционные устройства (мониторы, насадки и пр.).
В зависимости от глубины заложения тоннеля и способа его сооружения закрепление грунта осуществляют с поверхности земли через вертикальные или наклонные скважины или непосредственно из забоя через горизонтальные или слабонаклонные скважины.
В частности, при сооружении основного и сервисного тоннелей метрополитена под монументом на площади «Маргуис де Помбал» в столице Португалии Лиссабоне на линии между станциями «Ро-тунда» и «Рато» в августе 1994 г. с помощью струйной цементации произведено предварительное закрепление грунтов в основании монумента (рис. 3.2). С этой целью было пробурено более 13,3 тыс. м скважин с углом наклона от 0 до 68° и сооружено 786 грунтоцементных колонн диаметром 1,00 м по двухкомпонентной (воздушной) системе и 102 грунтоцементные колонны диаметром 0,60 м по однокомпонентной системе.
Рис. 3.2. Струйная цементация грунтов на строительстве основного и сервис ного тоннелей метрополитена под монументом на площади Marquis de
Pombal в Лиссабоне (Португалия)
3.2. Новоавстрийский метод строительства подземных сооружений
В строительстве горных транспортных тоннелей новоавстрийский метод (НАТМ) применяется с 1964 г., в метростроении — с 1968 г. [4, 9, 21, 27, 49 (гл. 3-7), 66 (11.3), 72, 99]. Основные положения строительства подземных сооружений с помощью новоавстрийской технологии сводятся к следующему: крепь и грунтовой массив рассматривают как единую несущую систему первичного (временного) крепления выработки; задача набрызгбетонной или арочной набрызгбетонной крепи — включить в работу с крепью грунтовый массив, окружающий выработку, максимально сохранив несущую способность массива, не допуская его разуплотнения или разрушения; при проходке тоннеля необходимо вести мониторинг за напряженно-деформированным состоянием крепи и допустимым отставанием работ по возведению постоянной обделки тоннеля (как правило, в порядке научно-технического и инженерного сопровождения строительства).
Число объектов, построенных в мире по технологии НАТМ, увеличивается в геометрической прогрессии, при этом совершенствуются и оттачиваются приемы работ, расширяется, а в некоторых случаях и видоизменяется сама концепция метода, в круговерть НАТМ вовлекаются все новые виды конструкций и технологии сооружения тоннелей. Метод стал настолько популярен, что на зарубежном рынке подрядов предложения о строительстве какого-либо сооружения не с помощью НАТМ неконкурентоспособны изначально (в основном это касается стран, не имеющих собственного опыта сооружения тоннелей, а ориентирующихся лишь на мировые тенденции, однако следует учитывать, что именно этот рынок является наиболее перспективным).
Известны две технологии набрызгбетонирования: «сухая» и «мокрая». Начало применения первой относится к 50-м гг. XX в., второй — к 70-м гг. В последние годы на строительстве подземных сооружений в большинстве стран мира осуществляется переход с «сухой» технологии набрызгбетонирования на «мокрую». Уже в конце 90-х гг. XX в. 70 % набрызгбетона в мире наносили «мокрым» способом.
Достоинствами «мокрого» способа являются: возможность точной дозировки составляющих, что позволяет получать расчетные
и, соответственно, более высокие характеристики бетона; меньшая зависимость от квалификации оператора, регулирующего на месте ряд параметров (в частности, водоцементное отношение); возможность использования фибры, что позволяет отказаться от стальных армирующих сеток, при этом сохранив или даже улучшив характеристики материала обделки; лучшие санитарно-гигиенические условия при выполнении работ; меньший процент потерь материала в процессе его нанесения. Основной недостаток «мокрой» технологии — необходимость в более дорогостоящем оборудовании.
Для придания специальных свойств, положительно влияющих на конечные параметры набрызгбетонного покрытия или на технологичность нанесения набрызгбетона, применяют различные добавки, в числе которых: ускорители схватывания, пластификаторы (или суперпластификаторы). В зависимости от условий работ могут применяться также стабилизаторы и активаторы.
Ускорители позволяют значительно сократить время начала схватывания бетонной смеси и увеличить скорость набора прочности бетона. Их использование обязательно при набрызгбетонировании слоев значительной (более 10 см) толщины и в слабых грунтах. Действие ускорителей начинается, как правило, уже в период движения бетонной смеси от сопла до поверхности нанесения, превращая смесь из тяжелой жидкости в пасту. Это увеличивает сцепление бетонной смеси с поверхностью и позволяет наносить слой большей толщины.
Традиционными ускорителями схватывания являются алюминаты и силикат натрия (жидкое стекло). Но они оказывают вредное воздействие на организм человека. В последние годы появились нещелочные ускорители (микрокремнезем, микроси-лика, микросиликаты), вытесняющие традиционные. Новые ускорители улучшают свойства материала (как свежей смеси, так и затвердевшего бетона).
Использование микрокремнезема дает возможность улучшить многие характеристики набрызгбетонной конструкции, в том числе увеличить стойкость к агрессивным воздействиям, водонепроницаемость и морозостойкость.
По технологическим причинам бетонная смесь должна обладать определенной пластичностью. С давних пор для этих целей используют пластификаторы, которые способствуют также лучшему рас
пределению частиц в смеси и облегчают ее подачу бетононасосами. Наиболее часто в качестве пластификатора применяют смеси нафталинов, меламинов и лигносульфонатов.
Время, в течение которого бетонная смесь, в том числе и сухая, сохраняет свои первоначальные свойства и должна быть использована, как правило, не превышает 1,5—2 ч. Если температура выше 20 °C, этот период сокращается. В строительной практике нередки случаи, когда по каким-либо причинам требуется более 1,5—2 ч с момента приготовления до момента нанесения набрызгбетона. В этих случаях применяют стабилизаторы, которые отодвигают начало процесса гидратации (схватывания) смеси на время от 5 до 72 ч. Для нейтрализации стабилизатора при его использовании перед нанесением набрызгбетона одновременно с ускорителями схватывания вводят активатор.
Традиционно на приготовление 1 м3 набрызгбетонной смеси требуется от 350 до 500 кг цемента. В последние годы при строительстве некоторых ответственных сооружений увеличивают расход цемента выше 500 кг/м3, считая, что затраты на повышенное содержание цемента компенсируются уменьшением потерь за счет отскока. Целесообразно использовать для набрызгбетона сульфатостойкий цемент, характеризующийся большим сроком схватывания.
Важным фактором является правильный подбор и соблюдение гранулометрического состава, распределение инертных заполнителей по фракциям. Слишком малое содержание мелких фракций может привести к сегрегации и пробкам при перекачке. Повышенное их содержание делает смесь слишком вязкой.
В последнее время расширяется применение в составе набрызгбетона фибры, армирующей бетон, увеличивающей сопротивление растяжению и препятствующей процессу трещинообразования. Использование фибры позволяет отказаться от трудоемкой операции навешивания стальной арматурной сетки. В мировой практике используют три основных типа фибры: из стали, стекловолокна и пластиков.
Достоинства фибры из стекловолокна и пластиков — низкая стоимость, небольшой вес, исключение ускоренного износа материальных трубопроводов и шлангов. Тем не менее, в силу ряда причин такая фибра используется в основном при устройстве временной крепи.
Стальная фибра заменяет армирующую сетку, которая традиционно применяется для улучшения показателей набрызгбетона при растяжении и изгибе.
В нашей стране технология НАТМ в полном объеме впервые была применена при сооружении подземного ускорительно-накопительного комплекса (УНК) Института физики высоких энергий (ИФВЭ) в г. Протвино. Контракт с известной фирмой «Бетон унд Мониербау» (1989 г.) позволил освоить опыт этой фирмы в части проектирования, производства работ при сооружении тоннеля (с обучением бригад рабочих и инженерно-технического персонала), а также контроля состояния крепи и качества набрызгбетона. Это заложило основу дальнейшего сотрудничества между этой фирмой и российскими тоннелестроителями по линии Международной тоннельной ассоциации.
Основным полигоном освоения НАТМ в метростроении с декабря 1993 г. стал объект тоннельного отряда № 6 Мосметростроя — подходная выработка и перегонный тоннель метрополитена «Киевская — Парк Победы» (рис. 3.3). На этом объекте в течение 6 лет проходила полномасштабная отработка технологии НАТМ без уча-fl б
Рис. 3.3. Конструкции обделок перегонных тоннелей на участке ст. «Киевская» сг. «Парк Победы» Московского метрополитена: а монолитная; б сборная
стия зарубежных специалистов [4, 27]. Здесь впервые в практике отечественного тоннелестроения была применена пленочная гидроизоляция из поливинилхлорида (ПВХ).
В ходе работ пришлось столкнуться с рядом трудностей, связанных, в первую очередь, с изменением мышления метростроителей и проектировщиков в части понимания того, что успех сооружения тоннеля с применением технологии НАТМ зависит от обеспечения культуры производства на каждой технологической операции, включая подготовительные, при обязательном наличии в технологической цепочке всех видов контроля качества (входного, выходного и текущего).
Здесь впервые были опробованы методы расчета набрызгбетон-ной крепи с помощью метода конечных элементов (МКЭ) с учетом фактических характеристик набрызгбетона, полученных в натуре. Были отработаны состав оборудования и режимы наблюдений, а также методы оценки нагрузок на крепь по результатам измерений.
Продолжением внедрения НАТМ в отечественное метростроение стало сооружение свода станции «Геологическая» метрополитена Екатеринбурга в 1997—1998 гг., которое осуществило ОАО «Свердловскметрострой» с привлечением оборудования и рабочих бригад фирмы «ТОНОТ» (г. Протвино). Проект станции выполнило ОАО «Уралгипротранс» с учетом аванпроекта фирмы «ТОНОТ». Разработку конструкции арочно-набрызг-бетонной крепи и научное сопровождение строительства осуществлял НИЦ ТМ ОАО «ЦНИИС» [6, 24].
Процесс крепления выработок набрызгбетоном имеет ряд недостатков, которые обусловлены запыляемостью атмосферы в месте ведения работ, а также большими потерями компонентов набрызгбе-тонной смеси из-за отскока. В связи с этим в Японии разработаны технические решения по возведению постоянной обделки в тоннелях, использование которых позволит сохранить чистую атмосферу в местах производства работ и избежать отскока смеси при креплении.
Сущность нового метода NTLM заключается в том, что используются специальные передвижные опалубки и бетон укладывается в пространство между грунтом и опалубкой. Опалубка движется по окружности в поперечном сечении выработки и позволяет создавать гладкую внутреннюю поверхность обделки тоннеля, имеюще
го неровный (шероховатый) контур выработки. Таким образом создается тонкослойная среда по контуру выработки, обеспечивающая ее крепление.
Первый опыт применения NTLM был получен при использовании опалубок, разработанных фирмами «Теккен Корп» и «Сага Коге» и названных TSL («быстрая обделка тоннеля»). Конструкция ленточной опалубки, движущейся по окружности, прикреплена к полукруглой направляющей раме. Быстротвердеющий раствор нагнетался в пространство между опалубкой и контуром выработки. Процесс бетонирования выполнялся непрерывно. Мобильность всей установки обусловливалась наличием ходовой части на рельсовом ходу (рис. 3.4).
Испытания показали, что в процессе бетонирования отскок компонентов смеси отсутствует, а концентрация пыли — всего 0,4—0,9 мг/м3. Время бетонирования 1 м автодорожного тоннеля сечением 48,8 м2 (радиус 5,3 м) составило 6 ч.
Разработаны также и другие технологии укладки бетонной смеси с использованием передвижных опалубок, перемещающихся по окружности: метод SPLM — с ленточной прессформой, прикрепленной к телескопическому манипулятору; метод SCL — с двухсторонним манипулятором; метод CLiP— с двухленточной конструкцией опалубки и др.
Для всех перечисленных методов характерны высокая производительность укладки, маневренность базовых машин, практически полное отсутствие грязи и пыли в рабочем пространстве.
3.3. Строительство тоннелей с помощью механизированных щитов с активным пригрузом забоя
Проходка тоннелей в неустойчивых мягких и несвязных грунтах при незначительном (0,1—0,3 МПа) давлении подземных вод представляет собой одну из наиболее сложных проблем подземного градостроительства. Такие грунты с трудом поддаются технологичной и эколого-экономически эффективной разработке, особенно в городских условиях, где устанавливаются весьма жесткие допуски на осадку поверхности. Для безопасности проходки необходимы контроль влагосодержания и надежное крепление призабойной зоны, включая и лоб забоя.
в
Рис. 3.4. Бетонирование тоннельной обделки с помощью опалубок TSL: а — с установкой на рельсовом ходу; б — то же на гусеничном ходу; в — общий вид опалубки
В настоящее время в мировой практике тоннелестроения сложились два наиболее эффективных способа активного пригруза: гидравлический (тиксотропный) и грунтовый (шламовый или пеногрунтовый) [15, ч.1; 50, п.7.5; 98, с. 31 —46].
Принцип устройства щита с гидравлическим (тиксотропным) пригрузом забоя заключается в заполнении герметичной призабойной зоны тиксотропным (обычно бентонитовым) раствором, который обеспечивает устойчивость забоя. Разработанный в забое грунт вместе с тиксотропным раствором по трубопроводам выдается на поверхность, где в сепарационной установке отделяются твердые фракции, а очищенный раствор возвращается в призабойную зону. Давление в призабойной зоне создается путем воздействия на бентонитовую суспензию через воздушную подушку и регулируется давлением сжатого воздуха.
При грунтовом пригрузе уравновешивание давления в призабойной зоне создается пластифицированной массой разработанного грунта, воспринимающей усилия от щитовых гидродомкратов. Давление грунта на забой регулируется соотношением между скоростью подачи щита на забой и выдачей грунта шнековым конвейером. Выдача грунта на поверхность обычно производится рельсовым транспортом в вагонетках.
Выбор способа пригруза забоя зависит от условий заложения трассы, геологических и гидрогеологических характеристик грунтов. Щиты с гидропригрузом забоя целесообразно применять при проходке в песчаных и галечниковых грунтах. При высоком во до-притоке применяется соответствующая пригрузочная жидкость, крупные включения, которые не могут перекачиваться насосами, должны предварительно размельчаться. При этом количество частиц мельче 0,02 мм не должно превышать 10 %, так как более высокое содержание мельчайших частиц может привести к затруднениям при сепарации. Область применения щитов с гидропригрузом забоя в зависимости от гранулометрического состава грунтов приведена на рис. 3.5, а.
Щиты с грунтовым пригрузом забоя приспособлены лучше всего к связным грунтам. При этом доля тонких фракций мельче 0,06 мм должна составлять не менее 30 %. Для создания тестообразной грунтовой массы необходимо наличие воды (грунтовой или специально
Диаметр частиц <7, мм
Рис. 3.5. Область применения щита с активным пригрузом забоя в зависимое ти от типа грунта:
а с гидравлическим пригрузом; б с грунтовым и гидравлическим пригрузом
подведенной). Требуемую консистенцию разрабатываемого грунта можно получить введением кондицирующих добавок, например, бентонита или полимера; в этом случае опасность слипания значительно снижается. Область применения таких щитов в зависимости от гранулометрических характеристик грунтов приведена на рис. 3.5, б. Однако, при этом следует иметь в виду, что данная диаграмма может относиться также к щитам и с гидропригрузом, не имеющим
устройств регулирования гидропригруза сжатым воздухом (как в щитах фирмы «Вайсс унд Фрейтаг»).
Управление щитом с гидравлическим (тиксотропным) пригрузом забоя предполагает оперативное регулирование давления и расхода пригрузочной суспензии: давление пригруза должно уравновешивать грунтовое и гидростатическое давление забоя, а расход циркулирующей суспензии должен обеспечивать выдачу разработанного грунта из призабойной камеры. Управление щитом с грунтовым (шламовым) пригрузом забоя более сложно и производится путем изменения частоты оборотов шнекового конвейера.
Регулирование давления пригруза забоя, гарантирующее сохранение его устойчивости и надежное предотвращение осадок поверхности, легче и оперативнее осуществляется с помощью пневматической подушки в миксощитах с гидропригрузом, так как добиться аналогичной управляемости режимом крепления забоя при грунтовом пригрузе труднее из-за присущей такому щиту замедленной реакции на управляющие команды.
При проходке тоннелей в грунтах с включениями валунов размещается в щитах с гидропригрузом в призабойной зоне дробильная установка, после разрушения в которой валуны удаляются по трубопроводам вместе с грунтовой смесью. В случае щитов с грунтоприг-рузом валуны вызывают значительные осложнения, так как твердые включения не могут транспортироваться шнековым конвейером.
Проблемы, связанные с уменьшением кессонных работ на щитовых комплексах как с грунто-, так и с гидропригрузом, если не главные, то одни из самых основных. Надежность крепления режущего инструмента ротора, замена резцов, удаление и дробление валунов, борьба с «замыливанием» планшайбы, зашты-бовыванием всасывающего патрубка, ремонтом уплотнения центрального подшипника требуют самого тщательного рассмотрения и анализа не только до начала сооружения, но еще на стадии заключения контракта.
Для того, чтобы помочь руководителям тоннелестроительных организаций обоснованно выбирать тип тоннельной машины круглого сечения для условий определенного объекта, Тоннельная ассоциация России разработала в 2004 г. специальные «Рекомендации».
Указанные Рекомендации составлены на основе тщательного изучения и анализа зарубежного и отечественного опыта создания и применения герметичных тоннельных щитовых машин с такими видами активного пригруза забоя, как суспензионный, грунтовый и воздушный.
В процессе составления Рекомендаций уточнена классификация современных тоннельных щитовых машин с указанными видами пригруза (рис. 3.6); рассмотрены и сконцентрированы сведения об эффективности строительства проходческими комплексами (включая герметичные щитовые машины) 16 известных тоннелей диаметром от 4,23 м до 13,9 м, в том числе пройденных в мягких и полускальных грунтах на глубинах от 3 до 55 м при гидростатическом давлении от 0,6 МПа [15, ч. 1, табл. 3.2].
Немаловажное значение при выборе ТПК имеет энергоемкость комплексов. Потребляемая мощность щитов с гидропригрузом почти в два раза превышает этот показатель для аналогичных комплексов с грунтопригрузом. Кроме того, щиты с гидропригрузом требуют больших площадей для размещения наземных комплексов на строительных площадках.
В заключительном разделе Рекомендаций приведены перечень и порядок действий, которые должны выполняться технико-эко-
Рис. 3.6. Классификация тоннелепроходческих машин
комическими службами тоннельной строительной организации с целью обеспечения обоснованного и правильного выбора типа тоннельной щитовой машины, предназначенной для проходки конкретного тоннеля.
Новым, обеспечивающим наилучшую статическую работу конструкции и, по-видимому, весьма эффективным в отношении трудозатрат и сроков строительства можно считать техническое решение, реализованное японскими метростроителями в городах Токио и Осака. Основой этого решения является применение для строительства трехсводчатых станций метрополитена гидрозащиты с тройным рабочим органом (мультиорганом) с полностью закрытой грудью забоя (рис. 3.7).
Впервые такой щит был применен на строительстве пересадочной станции «Лидабаши» метрополитена Токио, заложенной на глубине 27 м от поверхности земли в неоднородном песчаном слое с включениями гравия, содержащего артезианскую воду с давлением воды до 0,26 МПа и коэффициентом фильтрации от 10 до 3 см/с.
Наружный диаметр разработки для центрального ротора 8846 мм, для боковых роторов, расположенных с отставанием от центрального, 8140 мм, при общей ширине разработки 17 440 мм. Призабойная камера общая для трех роторов.
Конструкция позволяет легко регулировать расход и давление рабочей жидкости, изменять длину комплекса. Бентонитовый раствор подается через три отверстия в верхней части каждого рабочего органа, а удаляется через одно в нижней части центрального рабочего органа. Специальное устройство при необходимости позволяет повышать производительность выдачи бентонитового раствора из призабойной камеры. Шарнирное соединение отдельных элементов комплекса обеспечивает проходку вдоль крутой кривой радиусом до 125 м. В комплексе задействованы 4 укладчика и транспортная система для установки тюбингов обделки и промежуточных колонн. В его состав входят также толкающий механизм для предотвращения раскрытия стыков между тюбингами и подпорный механизм для поддержания кровли в процессе установки колонн.
Технология строительства станции с помощью такого проходческого комплекса предполагает одновременную разработку грунта в забое и укладку обделки на всю ширину и высоту поперечного сечения станции в форме трех пересекающихся окружностей. Обделка состоит из гибких стальных тюбингов и двух рядов колонн, установленных с шагом 4,0 м.
Опыт применения щита с тройным рабочим мультиорганом дал следующие результаты: средняя скорость проходки 2,3 м/сут, максимальная
4 м/сут, время разработки грунта за 1 цикл от 60 до 90 мин; установка временных колонн от 110 до 160 мин, а постоянных колонн от 140 до 210 мин. При этом отклонение продольной оси станции от проектной составило не более 3 мм, а величина осадок зданий, находящихся непосредственно над станцией, не превысила 7 мм.
Рис. 3.7. Проходческий щит с тройным роторным рабочим органом и с бентонитовым пригрузом забоя для строительства станции «Лидабаши» Токийского метро:
1 копир резец; 2 резец; 3 боковая поверхность роторного органа; 4 трубка для подачи смазки в строительный зазор; 5 устройство для подъе ма элементов обделки; 6 электропривод режущего органа; 7 щитовой домкрат; 8 устройство для заполнения строительного зазора; 9 указатель направления; 10 мешалка; 11 элемент присоединения домкрата;
12 уплотнение строительного зазора (в три ряда)
Можно сделать вывод о том, что новая технология строительства станций метрополитена с помощью проходческого щита с тройным роторным рабочим органом и бентонитовым пригрузом забоя, бесспорно, является большим вкладом японских специалистов в создание новейших технологий в области метро- и тоннелестроения.
3.4. Проходческие комбайны в метростроении
В последние годы в практике отечественного и мирового метростроения все большее применение находит комбайновая разработка грунта, обладающая по сравнению с буровзрывным способом определенными достоинствами: обеспечивается непрерывная механизированная работа в забое при совмещении во времени основных процессов разрушения и погрузки грунта; увеличиваются производительность труда (на 20—40 %) и скорость проходки (см. рис. 3.8);
Рис. 3.8. Производительность отбойки (а) и скорость проходки (б) выработок при буровзрывной и комбайновой технологиях:
1 буровзрывная технология; 2 буровзрывная технология с гидравлическими буровыми каретками в выработках сечением 16 30 м2; 3 механическая отбой ка комбайнами мощностью до 100 кВт; 4 и 5 механическая отбойка комбайна ми избирательного действия и буровыми комбайнами соответственно; 6 сред ние значения скорости проходки; 7 9 скорости проходки лучших бригад, рекордные, месячные, средние для горного предприятия соответственно
достигается ровный контур выработки, максимально приближающийся к проектному, что обеспечивает экономию бетона; устраняется вредное воздействие взрыва на грунтовый массив, окружающий выработку. К недостаткам комбайнового способа следует отнести высокую стоимость комбайнов, большой расход электроэнергии и ограничения по габаритам.
По конструктивным особенностям проходческие комбайны подразделяют на комбайны бурового (роторного) и избирательного действия [45, гл. 5—7; 49, п. 4.1; 50, п. 6.5; 66, п. 5.1,16.4; 103, гл. 5].
Особенностью комбайнов роторного действия является разрушение грунта одновременно по всей площади забоя. К комбайнам такого типа относятся «Роббинс» (США), «Вирт», «Демаг» (Германия), ЩМР-1, KTl-5,6, КТ-5,6Е21, КТ-6А21, КЩМ-11 (Россия) и другие, режущий орган которых представляет собой мощную круговую платформу, вращающуюся с частотой до 14,5 об/мин, на которой размещены резцы различных конструкций. В метро- и тоннелестроении такие комбайны называют тоннелепроходческой машиной (ТПМ) по аналогии с международным термином «Tunnel boring machine» (ТВМ).
К проходческим комбайнам избирательного действия относят машины с перемещением по забою режущего органа, который размещен на конце подвижной рукоятки. Такие комбайны (в основном, на гусеничном ходу) маневренны и позволяют разрабатывать забои любой формы. Наибольшее распространение получили комбайны избирательного действия со стреловидным рабочим органом [93, рис. 16.10]. В зависимости от технических возможностей и размеров выработки такие комбайны производят разработку грунта сразу по всей площади забоя, либо сначала разрабатывается грунт в верхней части забоя на максимально допустимую высоту для данного типа комбайна, а затем ведется доработка нижней части забоя.
В первом случае, который преимущественно применяется при проходке штолен, длину заходки в зависимости от инженерно-геологических условий и типа временной крепи принимают в пределах от 0,75 до 1,2 м.
При строительстве тоннелей высотой более 5 м, в том числе станционных, применяют вторую схему разработки грунта (в два или
Рис. 3.9. Схема тоннельного комплекса ТК 2:
1 комбайн типа 4ПП 2; 2 передвижная платформа; 3 верхний пере гружатель; 4 нижний перегружатель
более ярусов), предусматривающую применение комбайновых технологических комплексов типа ТК-1С, ТК-2 и др. В частности, комплекс ТК-2 (рис. 3.9) позволяет разрабатывать выработки высотой до 8 м с производительностью от 30 до 80 м3/ч.
В метростроении проходческие комбайны со стреловидным рабочим органом впервые применены на «Мосметрострое» (СМУ-5, СМУ-6 и СМУ-8) почти четверть века тому назад. Комбайны такого типа, серийно выпускаемые заводами угольного и горнорудного машиностроения, предназначены для проведения горизонтальных и наклонных (до ±10°) выработок переменного поперечного сечения площадью от 4 до 35 м2 в грунтах с коэффициентом крепости /<7, абразивностью до 15 мГ. На первом этапе освоения комбайнов строительным управлениям была оказана техническая помощь специалистами института «ЦНИИподземмаш», что позволило в короткий срок (2—3 мес.) обучить рабочий и технический персонал проведению выработок при помощи комбайнов. Были разработаны принципиальные технологические схемы горнопроходческих работ для различных типов выработок с использованием комбайнов 4ПП-2, ГПКС и 4ПП-5. При этом учли различные горнотехнические условия и типы крепи — металлическая арочная, монолитно-бетонная, набрызгбетонная в сочетании с анкерами, тюбинговая из чугунных и железобетонных блоков. Разработаны и утверждены инструкции по эксплуатации комбайнов в специфических условиях метростроения и по технике безопасности для машинистов комбайнов и проходчиков.
Эффективность использования проходческих комбайнов при сооружении станционных тоннелей подтверждена при сооружении ряда станций Московского метрополитена: «Боровицкая», «Мен
делеевская», «Цветной бульвар», «Тимирязевская», «Площадь Ильича», «Пролетарская» и др.
По результатам промышленного внедрения комбайнов в метростроении разработаны технологические схемы сооружения перегонных тоннелей комбайновым способом с обделкой из монолитного бетона.
В основу технического решения положена цикличная организация работ, при которой обделка из монолитного бетона возводится отдельными секциями по мере продвигания забоя заходками по 1 м (рис. 3.10) со скоростью 1 м тоннеля в смену (при трехсменной работе — 3 м/сут).
Состав звена — 4 человека. В комплекс оборудования входят переставная металлическая опалубка ОМП-2 и бетоноукладочная машина БУК-2 (см. рис. 3.11).
Инвентарная металлическая опалубка ОМП-2 прошла промышленную проверку. С ее помощью на шахтах угледобывающей и горнорудной отраслей закреплено более 20 км капитальных выработок. Для применения на сооружении перегонного тоннеля опалубку ОМП-2 перепроектировали под его габарит, добавив механизм перестановки секций (новый индекс ОМП-2т). Применение опалубки в комплексе с комбайном было предложено впервые (до этого опалубку ОМП-2 применяли только при буровзрывном способе работ).
Цикл горнопроходческих работ включает в себя операции разработки забоя, перестановки опалубки и укладки бетонной смеси. По сравнению с традиционной технологией при щитовом или горном способах сооружения тоннелей эта технология отличается меньшим количеством рабочих процессов и оборудования.
В приведенной на рис. 3.11 схеме принят вариант комбинированной конструкции обделки (использование в лотковой части железобетонной плиты). При этом тоннель имеет подковообразное сечение. Такую форму тоннеля и обделки можно считать одним из вариантов технического решения.
В случае применения в качестве временной крепи набрызгбето-на с анкерами, технологическая схема будет иметь вид, представленный на рис. 3.12.
Как показала практика, производительность комбайнов типа 4ПП-2м применительно к условиям метростроения обеспечивает
Рабочий процесс Единица изм. Объем работ Шифр норм. ЕНиР, ВНиРи др. Нормы затрат труда, чел./ч Состав звена, чел. Время работы, ч Часы смен
на ед. изм. на весь объем
1 2 3 4 5 6 7 8
Разработка и погрузка грунта м3 25,7 По наблюдениям института ВПТИ-трансстрой 0,23 6,0 2 3,0 2
3,0
Устройство и разборка временных подмостей м2 2,0 0,3 0,6 2 0,3 2 "10,3
Устройство и разборка временной крепи кровли забоя м2 17,0 0,22 3,8 2 1,9 1 2 1,9 т
Ручная подкидка грунта и подчистка забоя м3 0,6 2,67 1,6 2 0,8 1 2 ж
Доставка и укладка лоткового блока шт. 1 0,8 0,8 4 0,2 4 0,2
Перемещение и установка опалубки шт. 1 6,0 6,0 4 1,5 4
1,5 ।
Укладка бетона за опалубку к? 7,1 0,84 6,0 3 2,0 । 3
1 2,0
Доставка материалов м3 11,0 0,08 0,9 3 0,3 1 1 о,з;
Укладка рельсовых путей м 2,0 0,3 0,6 3 0,2 1 1 0,2
Вспомогательные работы ч 2,5 — 2,5 1 2,5 1 i
2,5
Перерыв на обед ч 0,8 — — 4 — 4 0,8
Рис. 3.10. Циклограмма работ на сооружение 1 м перегонного тоннеля с помощью комбайна (числитель — количество рабочих, знаменатель — время, ч)
a
в
Рис. 3.11. Технологическая схема проходки перегонного тоннеля с помощью комбайна:
а — перестановка секций опалубки; б — укладка бетонной смеси; в — разработка забоя; I — консольная тележка; 2 — секция опалубки ОМП-2; 3 — комбайн 4ПП-5; 4 — прицепной перегружатель; 5 — ручная таль; 6 — торовое устройство;
7 — мостовой перегружатель; 8 — бетоноукладчик БУК-2; 9, 10 — вагонетки; 11 — электровоз
Рис. 3.12. Технологическая схема сооружения тоннеля комбайном избира тельного действия с временной анкерно набрызгбетонной крепью и моно литной обделкой:
1 комбайн КП 25; 2 бурильная машина; 3 прицепной перегружатель; 4 секция передвижной опалубки; 5 набрызгбетонная машина; 6 блоковоз ка; 7 пневматическое торцевое уплотнение опалубки; 8 грузоподъемное устройство на монорельсе
разработку 1 м подходной выработки сечением 12—15 м2 за 1—1,5 ч, а перегонного тоннеля — за 2,0—2,5 ч. Однако для реализации такой производительности необходимо, чтобы в сочетании с комбайном работал специальный самоудлиняющийся конвейер. Такие конвейеры типа 1 ЛТП-80 разработаны и серийно выпускаются заводами угольного машиностроения.
В настоящее время ведутся работы по созданию новых и совершенствованию существующих проходческих комбайнов, соответствующих современному техническому уровню и лучшим зарубежным образцам (табл. 3.1), в том числе: проходческие комбайны легкого типа — КП-20, КП-20Б, предназначенные для замены серийно выпускаемого комбайна 1ГПКС; проходческие комбайны среднего и тяжелого типов — КП-25 и П-160, имеющие значительные преимущества по сравнению с серийными комбайнами 4ПП-2М и 4ПП-5; комбайны легкого типа, представленные экспериментальным образцом агрегата типа КМШ.
Таблица 3.1
Технические характеристики современных проходческих комбайнов
Показатель Проходческие комбайны
КМШ КП 20 КП 25 П 160
Диапазон сечений выработки, обрабаты ваемый с одного положения комбайна, м2 5...12 7...20 7...25 9...33
Размах стрелы, мм: ширина высота 5400 4300 5400 4300 6200 4700 6500 5600
Предельная прочность разрушаемых грунтов при одноосном сжатии, МПа 60 80 90 100
Абразивность разрушаемых пород, мГ 12 15 15 18
Техническая производительность по грунтам предельной прочности, м3/мин 0,27 0,24 0,26 0,29
Суммарная нормальная мощность, кВт, электродвигателей, в том числе исполнительного органа 76,5 45 134 75 157 110 280 160
Размер комбайна в транспортном положе нии, мм: ширина высота 1200 1300 2000 1500 2100 1600 2700 1600
Масса, т, не более 7,5 25 37 55
Установленный ресурс до капремонта, м3 8400 11 300 И 300
Малогабаритные комбайны КМШ, выпускаемые для марганцевых рудников, могут найти широкое применение для разработки грунта в малогабаритных камерах, межтоннельных выработках, а также для разработки грунта в проемах станций пилонного типа.
Исследуя вопросы совершенствования проходческих комбайнов, д.т.н., проф. Б.И. Федунец [50, с. 62—130] констатирует, что техническая производительность комбайнов 2Т к м3/мин, зависит не только от прочностных характеристик и абразивности пород, но и от их трещиноватости (рис. 3.13), характеризующихся коэффициентом Кт:
Число трещин, шт./м 0 2 3 5 8 10 12 15 18
Коэффициент Кт 1 1 0,94 0,86 0,71
Из рис. 3.13 следует, что по мере увеличения прочности пород влияние трещиноватости на величину QT к возрастает.
Как показали расчеты, выполненные применительно к конкретным горно-геологическим условиям, комбайновый способ проведения выработок экономически более эффективен, чем буровзрывной, при условии, что техническая производительность комбайна ГПКС не менее 0,18 м3/мин, а удельный расход резцов РКС-1 не превысит 0,7 шт./м3.
Область применения комбайнов избирательного действия в зависимости от прочности и абразивности разрушаемых пород при разном удельном расходе инструмента можно определить графо
аналитическим способом.
В качестве примера установим возможную область применения комбайна 411112М и сравним ее с областью применения комбайнов ГПКС.
Из рис. 3.14 (контур ABCDG) следует, что фактическая область применения комбайна 4ПП2М шире, чем предусмотрено его технической характеристикой (показана пунктиром). Это свидетельствует о том, что применение комбайна типа 4ПП2М вместо ГПКС может существенно расширить сферу комбайновой технологии проведения горных выработок.
Рис. 3.13. Влияние трещиноватости на техническую производитель ность комбайна
Рис. 3.14. Сравнение областей применения комбайнов ГПКС (/) и 4ПП2М (2)
Однако при выборе технологии проходческих работ необходимо иметь в виду, что работа комбайнов сопровождается повышенным пылеобразованием (особенно при разрушении крепких пород) и предъявляет более высокие требования к проветриванию выработок.
При этом следует учитывать, что операция «разрушение массива» является главной в комбайновой технологии. Поэтому решающее значение для последней приобретает разработка оптимальных схем разрушения масси-
ва в зависимости от его физико-технических свойств.
Наиболее сложный момент разрушения — это первоначальное внедрение рабочей коронки в массив, которое в зависимости от крепости горных пород осуществляется на разную глубину. Горно-геологические условия залегания различных пород позволяют отыскать «слабые места» в забое для того, чтобы осуществить «зарубку» в этих местах (рис. 3.15). После внедрения рабочей коронки в массив происходит его разрушение вследствие движения исполнительного органа комбайна в вертикальной или
горизонтальной плоскости.
При разработке технологических схем разрушения забоев необходимо стремиться к тому, чтобы удельный путь резания (производительное перемещение и холостой ход исполнительного органа) был минимальным.
В общем случае технологические схемы проведения выработок комбайновым способом с учетом средств механизации других процессов могут быть разделены на четыре группы: с погрузкой горной массы на конвейер; с погрузкой горной массы в вагонетки; комбайновыми комплексами; с погрузкой и доставкой горной массы
самосвалами с самоходными погрузочно-доставочными машинами, оснащенными дизельным или электрическим приводом.
4
7
Рис. 3.15. Технологические схемы разрушения забоев (сплошные линии рабочий ход исполнительного органа; пунктирные линии холостой ход исполнительного органа):
I 9 последовательность разработки
Обязательным условием эффективной работы комбайна является большая производительность призабойных транспортных средств и обеспечение их непрерывной работы. В наибольшей мере при комбайновом способе проведения выработок этому условию соответствует не рельсовая, а конвейерная транспортировка горной массы.
В случае отсутствия в выработке конвейерного транспорта и наличия только рельсовых путей погрузку горной массы целесообразно вести с помощью специальных перегружателей, позволяющих загружать вагонетки партиями в нерасцепленном состоянии. С маневрами по смене груженого состава следует совмещать другие неизбежные перерывы в работе комбайна, например, связанные с заменой режущего инструмента.
Существенным недостатком, присущим практически всем комбайнам, является низкая эффективность подачи разрушенной горной породы на стол питателя. Проблема заключается в том, что значительная часть горной массы, не попадая на этот стол, скапливается в нижней части груди забоя. Для удаления этой массы после разрушения всего забоя на глубину одной заходки исполнительный орган опускают в нижнее положение и многократно перемещают от одной стенки выработки к другой при вращающихся коронках. Продолжительность такой операции соизмерима с затратами времени на один цикл разрушения забоя. Это также отрицательно сказывается на общих затратах энергии, износостойкости резцедержателей и инструмента. Более того, после окончания этой операции у стенок выработки остается часть горной массы, которую приходится убирать вручную.
Продолжительность процесса удаления горной массы еще больше увеличивается, когда комбайн работает с телескопически выдвинутой стрелой. Поэтому ряд фирм отказался от применения такой конструкции и была разработана другая, предусматривающая возможность перемещения корпуса (платформы комбайна) вдоль оси ходовой части по направляющим в виде ласточкиного хвоста посредством гидродомкратов. Но это, на взгляд российских ученых, можно рассматривать как полумеру.
С целью устранения указанного недостатка предложено применить новое конструктивное решение, несколько изменяющее общую компоновку комбайна. Суть его заключается в оснащении комбайна принципиально новым фрезерующе-погрузочным устройством, выполненным в виде двух конусных и одного цилиндрического барабана фрезы, оснащенных резцами, расположенными перед ходовой частью. Позади фрезерующе-погрузочного устройства размещены два ленточных конвейера, перегружающие горную массу на скребковый конвейер, который, как обычно, расположен вдоль продольной оси комбайна (рис. 3.16). При этом возможны два варианта обработки забоя. В первом применяют исполнительный орган с изогнутой верхней частью, что позволяет обрабатывать весь забой, а фрезерующе-погрузочное устройство обеспечивает только погрузку горной массы. Во втором варианте поперечно-осевая коронка обрабатывает весь забой, кроме нижнего уступа, который разрушают фрезерующе-погрузочным органом.
Рис. 3.16. Схема погрузоч ного устройства:
1 установка для бурения шпуров под анкерные бол ты; 2 поперечные кон вейеры; 3 продольные конвейеры
Такая конструкция комбайна позволяет выполнять еще одну важную технологическую операцию — поддирку почвы, которую можно осуществлять со снятым исполнительным органом.
Применение проходческих комбайнов в метростроении позволит во многих случаях отказаться от буровзрывного способа разработки грунтов, что особенно важно в условиях подземного строительства в городских условиях.
Механизированные комплексы на базе проходческих комбайнов, состоящие из комбайна, переставной опалубки и бетононасоса, позволят осуществить полную механизацию трудоемких горнопроходческих работ на метрополитенах, трасса которых расположена в скальных грунтах.
3.5. Нетрадиционные технологии разработки крепких скальных грунтов
Современная классификация крепости горных пород. Более полувека в метро- и тоннелестроении в качестве основной характеристики горных пород используют коэффициент крепости /, предложенный выдающимся российским ученым М.М. Протодьяконовым. Он писал, что крепостью породы, как и всякого материала, называется сопротивляемость ее внешним усилиям, при этом имея в виду, что коэффициенты крепости могут быть использованы для характеристики сопротивляемости горных пород различным видам разрушения. М.М. Протодьяконов понимал, что сопротивляемость по
роды разрушению при различных воздействиях (бурение, резание, взрывание) неодинакова.
Ученый разработал шкалу крепости, в которой все породы были разделены на 10 категорий, причем максимальное значение f - 20. Он предложил 7 способов определения коэффициента крепости пород, однако практическое распространение получил способ, основанный на испытании образцов правильной формы на сжатие. В этом случае коэффициент крепости вычисляется по формуле
/ = -^р (3.1)
где стсж предел прочности горных пород при одноосном сжатии, МПа.
Как отмечает проф. Б.И. Федунец [50, с. 62—130], разрабатывая шкалу крепости горных пород, М.М. Протодьяконов имел весьма ограниченный статистический материал по испытанию образцов на одноосное сжатие, касающийся в основном известняков и песчаников различных месторождений.
За последние 20—25 лет значительно улучшилось качество подготовки образцов, было выявлено много пород с пределом прочности одноосному сжатию 500 МПа и более.
Учитывая, что шкала крепости к 50-х гг. XX в. получила широкое распространение как в производственной практике, так и в технической литературе, было сделано несколько предложений, направленных на уточнение значений f и шкалы в целом.
Наибольшее распространение получила формула для определения коэффициента крепости пород, предложенная проф. Л.И. Бароном:
су +1 Ост [с> 4- Юсг
сж р I сж р
60 + V 12
(3.2)
где осж предел прочности пород при одноосном сжатии, определенный по методу раздавливания образцов правильной формы, МПа; предел прочности пород при растяжении, определенный путем раздавливания образцов неправильной формы, МПа.
Понимая, что эта зависимость не охватывает диапазон особо крепких пород, Л.И. Барон предложил все породы с псж>365 МПа оценивать коэффициентом крепости f = 20.
Однако, как показывает практика, эффективность работы горнопроходческих машин зависит не только от прочностных свойств пород, но и в значительной степени от их абразивности и степени трещиноватости. Разрушая породу, режущий инструмент изнашивается, изменяется его геометрия, что обусловливает рост усилий, действующих на машину в целом. Именно поэтому ученые Московского государственного горного университета считают целесообразным по способу разрушения пород принять не одно-, а двухмерную универсальную классификацию, позволяющую оценить различные виды разрушаемости пород.
В результате графических построений было установлено, что пределы прочности пород при одноосном сжатии можно разделить на 7 групп с интервалами: 0...15; 16...28; 29...52; 53...87; 88... 142; 143...214; более 214, а показатели абразивности — на 6 групп с интервалами: 0...3,5; 3,6...7,5; 7,6...15; 16...30,5; 30,6...63; более 63.
Отложив по оси абсцисс категории пород по пределу прочности при одноосном сжатии, а по оси ординат — категории по абразивности, получим двухмерную шкалу по разрушаемости пород, состоящую из 42 классов. Для удобства пользования каждый класс имеет буквенное обозначение Р с двумя индексами: нижний указывает группу прочности, а верхний — группу абразивности.
Нетрудно убедиться, что практически во всех случаях область применения отдельных способов и средств разрушения охватывает не менее 4 классов. Так, область применения комбайнов избирательного действия охватывает 9 классов (рис. 3.17, а), бурения шпуров вращательным способом (резцы)—9 классов, вращательно-ударным (коронки) — 16 классов, ударно-поворотным (коронки) — 30 классов (рис. 3.17, б). Области применения шарошечных инструментов при бурении скважин большого диаметра охватывают для дисковых шарошек 20 классов, для зубчатых — 16 классов, для штыревых — 36 классов (рис. 3.17, в).
Шпуровое и бесшнуровое разрушение грунтов. Если при строительстве подземных сооружений метрополитенов в относительно слабых скальных грунтах с коэффициентом крепости f < 7 найдены
a
б
в
Рис. 3.17. Область применения различных способов и средств разрушения пород:
а — комбайны избирательного действия; б — способы бурения шпуров; в — шарошечные инструменты при бурении скважин большого диаметра; 1 — вращательный (резцы); 2 — вращательно-ударный (коронки); 3 — ударно-поворотный (коронки); 4 — дисковые шарошки; 5 — зубчатые шарошки; 6 — штыревые шарошки
альтернативные буровзрывному способы проходки в виде горнопроходческих комбайнов со стреловидным исполнительным органом типов КП-20, КП-25 и др., то для крепких скальных грунтов такие технологии до настоящего времени практически не созданы.
Казавшееся приоритетным направление термического разрушения скальных грунтов лучом лазера до сих пор не достигло стадии практического использования. Наиболее работоспособные образцы такого оборудования, по сведениям японских источников, расходуют при резке неармированного бетона на глубину 30 см энергию порвдка 25 кВт/мин на 1 см реза. При таких показателях лазерное оборудование целесообразно использовать только для решения особых задач с малым объемом работ, например, при демонтаже ядерных реакторов.
Не найдены пока рациональные технологические решения для реализации предлагавшейся артиллерийской проходки. Более эффективные направления проходки (шпуровое, бесшнуровое и комбинированное) требуют нестандартного подхода при их технологическом воплощении [49, п. 4.2; 99].
Шпуровое разрушение грунтов. Шпуровой метод для разрушения как негабаритов, так и монолита оказался наиболее жизнеспособным направлением и продолжает развиваться. Широкое распространение нашли гидроклинья статического действия, выпускаемые рядом фирм в разнообразных типоразмерах — от легких переносных до тяжелых навесных. В Японии освоен выпуск нескольких конструктивных вариантов упругих гидроклиньев статического действия с рабочей частью из специальных резин. Оригинальная новинка предложена канадскими конструкторами: их гидроклин производит рабочий ход в направлении от дна шпура к открытой поверхности грунта, что создает полезную осевую составляющую силы и способствует повышению эффективности выломки грунта. При испытаниях такого гидроклина мощностью 1,5 кВт одним рабочим ходом в шпуре диаметром 75 мм выламывалось до 40 т грунта.
Наряду с этим появились еще два варианта шпуровой технологии разрушения грунта. Первый вариант заключается в применении расширяющихся химических составов на основе гидратирующих соединений, которые создают разрывающее усилие в шпуре по мере протекания химической реакции. В Японии налажен выпуск достаточно широкой номенклатуры таких веществ. Применение
соответствующих составов в горнопроходческих работах сдерживается из-за их относительно медленного действия (несколько часов даже при использовании специальных ускорителей). Второй вариант — машины импульсного действия, вбрызгивающие в шпур порцию воды с высокой кинетической энергией. Над этим работают конструкторы Швеции и Австралии, но широкого применения такие машины также не получили. В последние годы за рубежом разработан ряд способов создания в шпуре импульса радиального давления, что позволило добиться оптимального сочетания положительных качеств обоих названных вариантов.
В США серийно выпускается устройство «Кор Крекер», скомпонованное в виде сменного навесного рабочего оборудования гидравлического экскаватора и предназначенное для шпурового разрушения грунтов прочностью на сжатие до 700 МПа (известняки, граниты). На дно шпура опускают таблетку алюминиевого сплава. Навесное устройство, представляющее собой ударник с рабочим стержнем из высокопрочной стали, погружается в шпур до контакта с таблеткой. При их соприкосновении по стержню наносится однократный удар энергией 140 кН-м, под действием которого сплав мгновенно приобретает свойства вязко-пластичной жидкости, которая и передает разрывающий ударный импульс в радиальном направлении на стенки шпура. Применение устройства «Кор Крекер» вызывает значительные шум и вибрацию, зато удельная себестоимость дробления грунта составляет всего 15 % по сравнению с осуществлением тех же работ навесным гидроударником. Оборудование «Кор Крекер» по рейтингу вошло в 100 лучших строительных машин США 1992 г.
Японская фирма «Тайсэй кэнсэцу» выпускает и применяет на практике патроны «Гансайзер» физико-химического действия, развивающие в шпуре импульс давления 150 300 МПа, достаточный для мелкого дробления грунтов с прочностью на растяжение от 2 до 18 МПа. Патрон содержит нагреватель и водонаполненный рабочий компонент. Первый представляет собой смесь порошков оксида алюминия с инициатором окислительно-восстановительной реакции, второй так называемую кристаллическую воду, особый вид квасцов. После разогрева компонента в химическом нагревателе развивается быстротекущая реакция с выделением теплоты, под действием которой вода из квасцов высвобождается и испаряется, причем пар создает указанное давление в шпуре. Из 1 кг состава образуется большой объем (порядка 330 л) пара, а так как скорость реакции «Гайсайзера» отстает от скорости детонации традиционных взрывчатых веществ и порождает волну дозвуковой скорости (около 330 м/с), вибрация от его действия составляет лишь около 30 % уровня вибрации при взрывных рабо
тах, уровень шума не превышает 20 дБ. Выпускаемые патроны массой 60, 120 и 200 г рекомендуется использовать с забойкой глубиной не менее 60 см.
Еще одной новинкой, поражающей воображение, является разработка плазменного бластера канадской горнодобывающей компанией «Норанда». Принцип действия бластера основан на том, что громадное количество электроэнергии (3,5 ГВт), сконцентрированное в конденсаторной группе, разряжается за несколько микросекунд в электролит, заключенный в шпуре. Под действием электроэнергии электролит превращается в горячую плазму сдавлением около 2 ГПа, обеспечивающую требуемое разрывное усилие в шпуре глубиной до 50 см. В качестве электролита используют глинистый раствор или обычную воду. При этом не выделяются токсичные газы, практически исключены разлет осколков грунта, задымленность, сотрясения окружающего массива, не происходит загрязнение подземных вод. По энергоемкости плазменный бластер, пока существующий в виде навесного оборудования для дробления негабаритов, оказался более чем конкурентоспособным: его средние показатели по данным промышленных испытаний составили от 0,19 до 0,48 кВт ч на 1 м3 отбитой горной массы. За один плазменный взрыв расходуется энергия, как за 5 мин работы бытового электроутюга, а дробление негабарита массой 6 т стоит по электроэнергии менее 1 цента. Дальнейшей задачей разработчиков является создание самоходной буропогрузочной машины с плазменным бластером, способной отбить за смену около 200 т скального грунта при себестоимости порядка 10 долл./т.
Бесшнуровое разрушение грунтов. Среди нетрадиционных методов бесшнурового разрушения крепких скальных грунтов наиболее высокий уровень технической и технологической проработки в настоящее время достигнут в случае способа резания грунта высоконапорной водяной струей, давление которой в экспериментах достигало 200 МПа и выше. Однако до сих пор этот способ не находит массового практического применения из-за высокой энергоемкости.
Проведенные в последние годы фундаментальные исследования микроструктуры высоконапорной струи позволили обнаружить некоторые свойства, дающие возможность существенно повысить эффективность резания крепких материалов при существенной экономии энергозатрат. Оказалось, что каждая микрокапля при соударении с поверхностью грунта воздействует на нее ударным импульсом, значительно превышающим собственное давление струи. Например, капля, отделившаяся от стационарной струи с давлением 70 МПа, может дать пиковое мгновенное давление порядка 560 МПа. Это позволяет надеяться, что в случае дробления струи на отдельные капли
в квазинепрерывном режиме можно будет резать более крепкий грунт, чем обычной струей, практически без увеличения энергозатрат. Для этого достаточно, чтобы пиковые значения нагрузок от распыленной струи превышали прочность грунта на сжатие в 1,45—3,95 раза.
В настоящее время предложен ряд принципиальных схем устройств, предположительно способных обеспечить дробление струи, в частности: поршневой регулятор давления, встроенный в боковой отвод камеры перед гидронасадкой; роторный рассекатель струи, встраиваемый в сопло; встроенная в сопло резонансная камера, создающая при прохождении струи периодические вихревые процессы, период которых совпадает с собственным периодом колебаний конструкции камеры (резонансная вибрация камеры способствует формированию капель); пластинчатый электровиброизлучатель; электромагнитное устройство вибрирования струи в сверхзвуковом диапазоне посредством выпущенного в камеру штока-сердечника; механизм сообщения струе периодических высоковольтных электрических разрядов с емкого конденсатора (при диапазоне напряжений от 1 до 100 кВт и периодичности 5—400 мкс), действием которых в струе формируются плазменные промежутки. Последние не только дробят струю на микрокапли, но и способствуют повышению их кинетической энергии своим высоким давлением. Перечисленные устройства предложены учеными разных стран и находятся на различных стадиях конструктивной проработки.
Комбинированные методы разрушения грунтов. Использование различных нетрадиционных технологий в качестве вспомогательных в целях расширения области применения твердосплавного породоразрушающего инструмента горнопроходческих машин на грунты с прочностью на сжатие 175 МПа и более, где возможности вольфрамовых сплавов исчерпываются, исследовано во многих направлениях, включая высоконапорные водяные струи, лазеры, газоструйные устройства и др., но надлежащего уровня экономической и практической конкурентоспособности эти разработки так и не достигли. Вместе с тем эти исследования позволили установить, что нагревание грунта свыше 480—500 °C обеспечивает резкое повышение эффективности твердосплавного инструмента и снижает его износ. В качестве перспективного способа нагрева грунта в последние годы выделилось микроволновое облучение на базе стандартного промышленного оборудования рабочей частотой 2,45 ГГц.
Ряд вариантов технических решений, сохраняющих преимущества буровзрывного способа проходки (экономичность и универсальность оборудования, умеренная энергоемкость, свободный доступ к забою) и в то же время исключающих такие недостатки этого способа, как сотрясения грунтового массива, опасность, шум, переборы грунта, разрабатывают фирмы Японии. Один из вариантов предполагает изоляцию всего забоя или отдельных его зон контурными щелями и последующее разрушение грунта в каждой зоне.
Ограниченные контурными щелями блоки грунта можно разрабатывать и буровзрывным способом, причем при этом достигаются значительная экономия ВВ и снижение вибрации. Например, при проходке штольни в крепком граните с применением предварительного щелеобразования средний расход ВВ оказался 0,7 кг на 1 м3 грунта, что в 2,4 раза меньше, чем при обычной буровзрывной проходке. В менее крепком граните заряд одного шпура составляет 0,1 или 0,2 кг, заряд на одной ступени замедления не превышает 1 кг, общая масса заряда — 5,8 кг (втрое меньше, чем при обычной проходке). Вибрация снижается в 6 раз.
Перспективным направлением является прорезание щелей в грунте высоконапорной водоабразивной струей. Фирма «Рамекс Системе Инк» (США) разработала оборудование ударно-скалывающего действия, предназначенное для работы по крепким скальным грунтам без их предварительного ослабления. На принципе ударно-скалывающего действия работает созданная фирмой «Роджер» (Канада) в 1988 г. буросбоечная машина, оснащенная ротором с тремя пневматическими бурильными молотками.
В США ведут работы по созданию машин буровзрывной разработки грунтов сверхслабыми взрывами в непрерывном режиме. Так, фирма «Мэшин Дизайн Инженере Инк»» провела эксперименты, показавшие, что разработка забоя в крепких скальных грунтах возможна с помощью шпуровых зарядов по 90 г (диаметром 10 мм и глубиной 91 см по сетке 46 х 46 см) с удельным расходом ВВ на уровне 490 г на 1 м3 грунта. Малое расстояние между шпурами гарантирует гладкое оконтуривание выработки, а непрерывность процесса заряжания и взрывания — скорость продвижения забоя выработки (диаметром 4,6 м) 1,2 м/ч. Технология требует приготовления ВВ в количестве 10,9 кг/ч и связано с выделением взрывных газов, 0,9—1 м3/мин, что
вполне допустимо. Но для обеспечения технологических параметров время бурения шпура не должно превышать 2 мин даже при одновременной работе по четырем шпурам. Это потребовало создания специального оборудования и, в частности, решения проблем позиционирования исполнительных механизмов, безопасности манипуляций с ВВ и взрывания без использования промышленных патронов и детонаторов (что неэкономично). Оборудование было предложено выполнить в виде трехпозиционной револьверной головки во взрывозащищенном исполнении (кожух из стальной брони) и с полуавтоматическим управлением. Применена серийная бурильная машина вращательно-ударного действия; буровая штанга диаметром 7,6 мм с промывочным каналом и одноперым долотом с твердосплавной вставкой. Система управления процессом с портативного пульта реализована в форме релейной логической схемы с блокировкой взаимоисключающих операций. Скорость каждой операции устанавливалась индивидуально. Оборудование в сборе имеет габаритную длину 2,4 м, диаметр 35 см и массу около 550 кг.
На основе результатов испытаний разработана исходная техническая документация на одно-, двух- и четырехстреловую самоходные установки, каждый манипулятор которых оборудован блоком из четырех единиц названного оборудования.
Контрольные вопросы к главе 3
1. Что включает в себя понятие «технология строительства подземных сооружений»?
2. Какие наиболее распространенные современные технологии строительства подземных сооружений Вам известны?
3. В чем состоят основные принципы строительства подземных сооружений с помощью НАТМ?
4. Назовите основные принципы работы щитов с гидравлическим и грунтовым пригрузом забоя, а также условия их применения.
5. Какие виды проходческих комбайнов применяются в метро- и тоннелестроении?
6. Чем вызвана необходимость разработки новой классификации крепости горных пород?
7. Какие известны нетрадиционные технологии разработки крепких скальных грунтов?
Раздел II. ОРГАНИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА МЕТРОПОЛИТЕНОВ
Глава 4. ИНЖЕНЕРНАЯ ПОДГОТОВКА СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
4,1. Сущность и основные положения организации строительного производства
Общие положения. Несмотря на более чем 200-летнюю историю науки об организации строительства, однозначных определений ее понятий и терминов не существует. Обобщенно их можно сформулировать следующим образом [7; 43, гл. VI; 67; 79; 93, гл. 25; 101, гл. 7; 107, гл. 2, 3].
Организация строительства — это взаимоувязанная система всех организационно-технических и технологических решений, нацеленных на достижение конечного результата — ввод в эксплуатацию объектов с заданным качеством и в установленные сроки.
Строительство тоннелей и метрополитенов включает в себя организацию строительного производства, труда и управления, которые составляют единый организационный комплекс. При этом любой объект строительства, независимо от его назначения и типа, проходит ряд последовательных стадий и фаз своего жизненного цикла: исследования (в том числе инженерные изыскания), проектирование, строительство (включающее подготовку производства), эксплуатация (в том числе циклы ремонта и реконструкции), ликвидация [7, рис. 1.1].
В единый организационный комплекс, кроме перечисленного, входят также организация труда и управления. Организация труда — это система мероприятий, обеспечивающая рациональное использование трудовых и технических ресурсов, при которых ресурсы задействованы с максимальной эффективностью и минимальными психофизическими издержками персонала. Организация управления —
это одна из функций управления по обеспечению рациональных условий для выполнения плановых заданий.
Систематизация методик и принципов организации метростроения и мирового опыта городского подземного строительства свидетельствует о наличии неразрывных и многоаспектных связей организации метростроительного производства с основными направлениями научных исследований, с одной стороны, и совокупности активно воздействующих отрицательных и положительных обратных связей, с другой. Есть две группы активно воздействующих факторов (связей). К первой относят факторы, нарушающие систему организационных и технологических связей в строительстве: разнородные, изменяющиеся горно-геологические условия на трассе сооружений; стесненные условия строительства, осложненные близко расположенными зданиями, сооружениями и коммуникациями; термальные и агрессивные подземные воды; повышенная температура наружного воздуха или суровые климатические условия; газо-обильность или протечки углеводородного сырья; аварии и остановки работ; перебои в финансировании; нехватка квалифицированного персонала; неудовлетворительное материально-техническое снабжение строительства и др.
Ко второй группе относят факторы, формирующие систему полезных обратных связей, повышающие надежность и безопасность строительства: разработанные организационно-технологические схемы строительных процессов; высокие технологии подземного строительства; менеджмент; организация участия в тендерах, строительстве и финансировании подземных сооружений; методология проектирования; геомониторинг; промышленная и экологическая безопасность; квалифицированные кадры; транспорт.
На основании этих связей и анализа возможных их сочетаний можно сделать вывод о том, что в основе способов метростроения находятся организационно-технологические схемы (структурный центр), различные активно действующие факторы (отрицательные и положительные обратные связи) и структурные связи системы, которые могут быть использованы в качестве основных критериев организации строительного производства.
Способы ведения работ. В строительстве используют два способа ведения работ: хозяйственный и подрядный. Строительство хо
зяйственным способом выполняется силами и средствами самого заказчика. Поэтому применение хозяйственного способа оправдано при небольших объемах работ (главным образом, по ремонту объектов). Новое строительство обычно осуществляется подрядным способом, при котором все работы выполняются специализированными строительно-монтажными организациями.
Подрядчик — строительная организация или предприятие, получившее в установленном порядке или на конкурсной основе право на строительство объекта. Возможно привлечение нескольких подрядчиков, специализирующихся в тех или иных видах сооружений или технологий. В этом случае заказчик, как правило, вступает в отношения с основным из них — генеральным подрядчиком, который, в свою очередь, привлекает необходимых субподрядчиков.
Подрядчик выполняет строительство объектов на основе проекта, который составляется проектировщиком на основании задания на проектирование, подготовленного с участием заказчика.
Подрядные торги. Строительство объекта может быть начато только после прохождения подрядных торгов и заключения подрядного договора (контракта) на условиях и в сроки, оговоренные в этом договоре.
Привлекая проектировщиков и подрядчиков к строительству метрополитена, заказчик действует в соответствии с «Положением о подрядных торгах в Российской Федерации» (с 1993 г.). Отдание подряда через торги способствует образованию рыночной конкуренции между подрядчиками. При этом важнейшими для подрядчика являются условия финансирования и обеспечения строительства ресурсами, по которым есть договоренность с заказчиком, а также финансовые ресурсы, предоставляемые заказчиком на условиях аванса, предоплаты и т.п.
Процесс проведения торгов представляет собой совокупность юридических процедур, строго регламентированных федеральным законодательством. Система отбора подрядных организаций заложена в «Положении об организации закупки товаров, работ и услуг для государственных нужд». Положение определяет право заказчика на проведение предварительного квалификационного отбора и определение состава конкурсной документации для этой процедуры.
Подрядные работы и услуги в строительстве коренным образом отличаются от товаров тем, что их нет в наличии в момент проведения торгов, а это влечет за собой более значительные риски для заказчика при принятии решений. Поэтому подрядные торги требуют дифференцированной оценки предложений, в которой кроме цены контракта должна производиться оценка риска заказчика. В целях минимизации этих рисков при выборе подрядчиков в конкурсной документации определяют: цену предмета торгов, сроки выполнения работ, технические возможности претендента, наличие квалифицированных кадров и опыта выполнения проектов сопоставимого вида, финансовая устойчивость претендентов и наличие необходимых оборотных средств на выполнение контракта. Исходя из принципа прозрачности, торги должны быть абсолютно «прозрачными», с передачей одинаковой информации всем претендентам.
К проблемам проведения торгов, требующим разрешения, следует отнести: отсутствие предпроектных проработок и, как следствие, полноценных заданий на проектирование; отсутствие четкого контроля проектных решений при приемке проектной продукции от проектировщиков; несвоевременное и неравномерное финансирование. Велико количество прошедших торги на объекты, по которым финансирование из года в год не осуществляется.
Качество проведения подрядных конкурсов можно обеспечить только тогда, когда все составляющие процесса взаимно увязаны, конкурсная документация детально проработана и в ней учтены действующие нормативные и правовые требования. Целесообразно в целях сохранения конкурентной среды подрядчиков давать им возможность в своих конкурсных предложениях отражать реальную зарплату, накладные расходы, плановые накопления.
Например, в сентябре 2003 г. был завершен отбор претендентов на участие в международном тендере по строительству новой и реконструкции одной из действующих веток метрополитена в Будапеште (Венгрия). Общая стоимость проекта оценена около 1,3 млрд долл. США.
Российские метростроительные компании находились в числе фаворитов, поскольку практически все линии Будапештского метрополитена в 70-х гг. сооружались при их непосредственном участии.
По итогам тендера фирма «Ингеоком» получила контракт на реконструкцию основания и верхнего строения пути в тоннелях метрополитена.
4.2. Предпроектная и проектная подготовка объекта к строительству
Сегодня в условиях перманентно меняющейся законодательной и нормативной базы, регламентирующей вопросы строительства метрополитенов, не всегда есть возможность правильно сориентироваться в многообразии федеральных, территориальных и отраслевых нормативных документов по градостроительной, архитектурной и инвестиционной деятельности. Участникам инвестиционной деятельности в форме капитальных вложений (инвесторы, заказчики, работники проектных, изыскательских и строительных организаций, служащие административных органов и т.д.) требуется подробно изучить положения около 400 законодательных и нормативных правовых актов, чтобы обеспечить соблюдение правовых норм при отводе земельных участков под строительство, а также при разработке, согласовании, экспертизе и утверждении предпроектной и проектной документации.
В этой связи особую актуальность приобретает разработка новых нормативных актов, характеризующихся интеграцией отдельных установленных законодательством процедур и правил в укрупненные блоки, адекватные оптимизированным на практике этапам инвестиционного процесса [67].
Важнейшим звеном в данном процессе является предпроектная и проектная подготовка строительства объектов. Как показывает практика, действующее разделение предпроектной и проектной подготовки строительства на части, регламентируемые документами, весьма нерационально, поскольку приводит к дублированию ряда положений, общих для предпроектной и проектной стадий.
Наряду с этим некоторые из существующих этапов предпроектной и проектной подготовки не отражены в указанных нормативных документах.
К настоящему времени, когда в стране назрела необходимость привлечения частных, в том числе иностранных, инвестиций в капитальное строительство, раздельное существование норм и правил по разработке обоснований инвестиций и проектов строительства стало неоправданным. Кроме того, появление большого количества иных нормативно-технических и организационно-методичес
ких документов, регулирующих отдельные процедуры и этапы процесса проектирования, а также устанавливающих состав и содержание документов, образующихся в ходе создания проектной продукции, в значительной степени сдерживает инвестиционную деятельность в форме капитальных вложений.
Практика показывает, что отсутствие единого документа, отражающего целостную картину предпроектной и проектной подготовки строительства, затрудняет восприятие иностранными инвесторами всей системы разработки предпроектной, проектной и рабочей документации на территории Российской Федерации и заставляет весьма осторожно подходить к вложению инвестиций в создание и воспроизводство основных фондов. В этих условиях проблема формирования общего положения о законодательно обоснованном едином порядке предпроектной и проектной подготовки строительства на территории Российской Федерации (далее — Положение) выдвинулась в разряд первоочередных.
Проведенные исследования позволяют составить принципиальную организационно-технологическую основу предпроектной и проектной подготовки строительства и разработать основные положения (далее — макет Положения) нормативного документа.
Реализованная в макете Положения организационно-технологическая схема, комплексно представляя процесс предпроектной и проектной подготовки строительства объектов, с одной стороны, выявляет этапы и процедуры, не урегулированные положениями законодательных и нормативных правовых актов и требующие правового обеспечения, с другой — позволяет провести детальный анализ всех этапов и подготовить предложения по упрощению указанного порядка с одновременным сокращением законодательных и нормативных правовых документов, регулирующих деятельность на этих этапах. Указанная схема представлена в приложении к макету Положения как схема О (основная), состоящая из 24 этапов, отражает систематизированную фактически складывающуюся технологию этого процесса.
Требования к отдельным процедурам предлагаемого порядка взаимоувязаны с конкретными группами объектов, классифицированными Положением в соответствии с Постановлением Правительства России от 27.12.2000 г. № 1008 «О порядке проведения госу
дарственной экспертизы и утверждения градостроительной, пред-проектной и проектной документации». Согласно Положению, можно выделить три группы объектов: 1-я группа — объекты, строительство которых осуществляется частично или полностью за счет средств федерального бюджета, средств бюджетов субъектов РФ, государственных кредитов и кредитов, получаемых под государственные гарантии, других средств, поступающих в качестве государственной поддержки; 2-я группа — потенциально опасные и технически особо сложные объекты независимо от источников финансирования и формы собственности; 3-я группа — объекты, строительство которых осуществляется за счет собственных средств заказчика (инвестора), включая привлеченные средства, в том числе средства иностранных инвесторов, кроме объектов, отнесенных к 1-й и 2-й группам, а также объекты III степени ответственности. Определено, что положения, являющиеся обязательными для объектов 1-й группы и, в некоторых случаях, для 2-й группы, для объектов 3-й группы будут носить рекомендательный характер. Например, разработка предпроектной документации в виде «обоснования инвестиций», ее экспертиза и утверждение, размещение на конкурсной основе заказов на проектирование и строительство, стадийность проектирования и т.д.
В разработанном макете Положения представлен перечень этапов организационно-технологического процесса предпроектной и проектной подготовки строительства, с кратким содержанием наиболее емких и сложных из них или с комментариями, в которых указана целесообразность того или иного существующего в повседневной практике, а также вновь вводимого с учетом современной законодательной и нормативной правовой базы этапа.
Приведем краткое изложение наиболее важных этапов работ, которые содержатся в прилагаемой к тексту макета Положения схеме О. Схема О (основная) отражает укрупненные этапы единого порядка предпроектной и проектной подготовки строительства на территории Российской Федерации.
I этап. Планирование инвестиционной деятельности.
Данный этап относится к началу инвестиционной деятельности по созданию основных фондов в виде капитальных вложений и связан с оформлением первичной документации для осуществления
работ по финансовому проектированию (этот вид экономической деятельности в соответствии с Общероссийским классификатором видов экономической деятельности, продукции и услуг — ОКДП (ОКОО4-93, часть III, группа 6512820) включает в себя подготовку технико-экономических обоснований инвестиционных проектов (группа 6512822) и принятие решения об осуществлении капитальных вложений с учетом принятых в Положении групп объектов.
II этап. Подготовка ходатайства об осуществлении определенного вида хозяйственной деятельности.
III этап. Согласие (отказ) на осуществление определенной хозяйственной деятельности.
IV этап. Сбор информации об определенных земельных участках и условиях землепользования.
V—X этапы. Заключение государственных контрактов (договоров) на разработку обоснования инвестиций, разработка, согласование, экспертиза и утверждение обоснования инвестиций, использование материалов обоснования инвестиций для предварительного согласования размещения объекта.
XII, XIII этапы. Порядок разработки архитектурного проекта и получение архитектурно-планировочного задания отражен в макете Положения на схеме О и в виде отдельного приложения.
XI этап, XIV—XVII этапы, связанные с разработкой, согласованием, экспертизой и утверждением проектной документации (проект, утверждаемая часть рабочего проекта), не претерпевают принципиальных изменений по сравнению с действующим порядком. В то же время состав и содержание проектной документации предусматривается существенно уточнить и ввести следующие разделы: «Исходно-разрешительная документация», «Техническая эксплуатация», «Прилагаемая документация».
Кроме того, в Положение предусматривается включить «Примерный состав и содержание разделов проекта на строительство линейных сооружений (железные и автомобильные дороги, магистральные трубопроводы, линии электропередач, метрополитены и т.д.)».
XVIII этап. Предоставление земельного участка для строительства. Как указывалось ранее, процедуры выполнения этого этапа установлены Земельным кодексом РФ, другими законодательными и нормативно-правовыми актами в области земельных отношений.
XIX этап. Получение разрешения на строительство. Появление этого этапа в технологической схеме предпроектной и проектной подготовки строительства вызвано тем, что он регламентируется федеральным законодательством, а также соответствующим постановлением правительства России.
XX—XXIII этапы, связанные с разработкой рабочей документации и получением разрешения на выполнение строительно-монтажных работ, а также с процедурой предоставления подрядчику строительной площадки и ее освоением, достаточно подробно регулируются действующими нормативами.
XXIV этап. Проектный мониторинг в процессе строительства объекта. Проектный мониторинг в процессе строительства является новым элементом технического нормирования по отношению к действующим нормам и правилам, регулирующим вопросы подготовки проектной и рабочей документации. Вместе с тем проводимые на этом этапе работы не являются новыми для капитального строительства.
Представляется, что проектный мониторинг включает в себя следующие основные виды работ, осуществляемые проектировщиком в ходе строительства объекта и приемки его в эксплуатацию:
а) авторский надзор;
б) внесение изменений в рабочую документацию в процессе строительства объекта и, в случае необходимости, если произошло принципиальное изменение ранее утвержденных проектных решений или сметная стоимость строительства изменилась более чем на 10 %, переработка проектной документации с соответствующим ее пересогласованием, экспертизой и переутверждением в установленном порядке;
в) участие в приемке объекта в эксплуатацию;
г) оказание консультативной помощи по доведению мощности предприятия до проектной; разработка (в случае необходимости) проекта консервации незавершенного строительством объекта.
Следует отметить, что разработанные ФГУП «ЦЕНТРИНВЕСТ-проект» «Практическое пособие по организации и осуществлению авторского надзора за строительством предприятий, зданий и сооружений» и «Методические указания о составе материалов, представляемых для рассмотрения предложений о переутверждении проектно-сметной документации на строительство предприятий, зданий и
сооружений» достаточно полно раскрывают состав работ и подготавливаемых при этом документов для работ, указанных в пунктах (а) и (б).
Таким образом, подготовленный ФГУП «ЦЕНТРИНВЕСТпро-ект» макет Положения о едином порядке предпроектной и проектной подготовки строительства на территории Российской Федерации дает представление о структуре, составе и содержании Положения, а также об объеме материалов, которые предусматривается включить в него. Совершенно очевидно, что даже в схематичном виде Положение по объему информации значительно превосходит все ранее разработанные, а также действующие организационно-методические нормативные документы по проектированию.
4.3. Организация основных работ по строительству метрополитена
Производство основных работ может быть начато только после завершения организационных подготовительных мероприятий, а также внеплощадочных и внутриплощадочных работ, предусмотренных проектом организации строительства (ПОС) и проектом производства работ (ППР).
Строительство должно вестись в технологической последовательности в соответствии с календарным планом (графиком) с учетом обоснованного совмещения отдельных видов работ. Выполнение работ сезонного характера (включая отдельные виды подготовительных работ) необходимо предусматривать в благоприятное время года в соответствии с решениями, принятыми в ПОС.
Руководство строительно-монтажными работами (СМР) должны осуществлять лица, имеющие на это лицензию. Для обеспечения строительства в соответствии с требованиями норм и проектной документацией генподрядная строительная организация должна: осуществлять геодезическо-маркшейдерское обеспечение СМР; обеспечивать проведение наблюдений за состоянием зданий, сооружений и коммуникаций в зоне влияния сооружаемого объекта; обеспечивать выполнение правил техники безопасности и производственной санитарии; осуществлять контроль за ведением буровзрывных работ и общий контроль за качеством строительства.
Сооружение подземных объектов метрополитена может осуществляться закрытым, открытым или полузакрытым способами.
Закрытый способ работ при глубоком заложении применяют в районах с плотной многоэтажной застройкой и густой сетью подземных коммуникаций, с обязательным обеспечением сохранности существующих сооружений и коммуникаций. Закрытым способом при мелком заложении (на глубине верха конструкции не менее 5 м от поверхности) работы ведут в целях исключения вскрытия поверхности на благоустроенных незаселенных территориях (при отсутствии или наличии малоэтажной застройки).
Открытый способ строительства подземных сооружений применяют, в основном, на незастроенных участках трассы.
При мелком заложении путевых тоннелей выбор между открытым и закрытым способами работ решают на основе технико-экономического сравнения с учетом глубины заложения, инженерно-геологических условий, характера городской застройки и других местных условий.
Однако в любом случае при разработке задания на проектирование и строительство подземных сооружений метрополитена рекомендуется придерживаться следующих принципов: трассировать линии метрополитена с нацеленностью на обеспечение максимально протяженных плеч проходки; по возможности закладывать в аванпроекты станции закрытого способа работ, что позволяет проектировщикам гибко варьировать проектные решения и конкретное местоположение, а строителям — рассчитывать на круглосуточное производство работ; разрабатывать отдельные документы на разные виды работ — строительные, отделочные, монтаж оборудования и т.д.; четко разделять пространство станций на распределительный и платформенный ярусы, чтобы оставить возможность проводить проходческие комплексы через них.
При строительстве закрытым способом следует учитывать, что с увеличением глубины заложения проявляются те же особенности горно-геологических и горнотехнических условий, что и в глубоких стволах: горное давление и пластические свойства грунтов, увеличение температуры грунтов и воздуха и др. Следствием этого является усложнение вентиляции и водоотлива, необходимость в дегазации и кондиционировании воздуха, предупреждении горных ударов, внезапных выбросов грунта и газа; усложнение технологических схем и средств проходки, подъема и транспортировки грунта, что приводит к снижению темпов строительства в 2—3 раза и увеличению в 1,5—2 раза затрат на сооружение объектов.
В неустойчивых нескальных, а также сильнотрещиноватых скальных грунтах (выветрелых и рухляках), оказывающих горное давление и требующих временного крепления кровли и лба забоя, проходку тоннелей, в том числе станционных, следует вести щитовым способом. При этом для крепления лба забоя должна применяться инвентарная крепь, а нож щита должен вдавливаться в грунт.
Способ сплошного забоя без применения щита, с монтажом сборной обделки укладчиком у забоя следует применять для проходки в устойчивых скальных грунтах с f> 1,5 и в некоторых видах глин твердой консистенции, допускающих разработку выработки на полное сечение.
В грунтах, где возможны вывалы и отслоения, при которых нельзя применять способ сплошного забоя, проходку станционных тоннелей и камер следует вести способом пилот-тоннеля или методом уступа. При щитовой проходке станционных тоннелей с передовыми штольнями необходимо устройство в них монолитного лотка с направляющими рельсами.
Строительство станций закрытого способа работ, как правило, осуществляют через рабочие шахтные стволы. В некоторых случаях в качестве дополнительного средства могут использоваться наклонные (эскалаторные) тоннели, требующие для своего сооружения отдельной строительной площадки.
В зависимости от выбранного способа ведения работ принимают определенную схему расположения вспомогательных выработок (щитовых камер, подходных транспортных штолен и т.п.). При щитовом способе работ в начале и в конце станционных тоннелей сооружают камеры для монтажа и демонтажа проходческих щитов. Подходные транспортные штольни, идущие от ствола, в этом случае примыкают к камерам сбоку (рис. 4.1, а). При проходке тоннелей горным способом необходимость в сооружении щитовых камер отпадает, и подходные штольни могут примыкать к станционным тоннелям с боковых сторон и торцов (рис. 4.1, б).
До начала работ по строительству станции закрытого способа работ наряду с шахтным стволом должны быть сооружены: около-ствольный двор, камера дренажной перекачки, подходные выработки, склад взрывчатых материалов — ВМ (при необходимости) и т.п. Размеры околоствольных и подходных выработок определяют, исходя из обеспечения транспортировки деталей конструкций и обо-
Рис. 4.1. Схема расположения главных и вспомогательных выработок: а при щитовом способе проходки; б при горном способе; в при сооруже нии станции через односторонний околоствольный двор; 1 околоствольный двор; 2 шахтный ствол; 3 обходная штольня; 4 насосная камера; 5 очистные сооружения; 6 склад взрывчатых материалов; 7 станция; 8 перегонные тоннели; 9 подходная штольня; 10 щитовые камеры
рудования станции, без переустройства основных откаточных путей. В зависимости от объемов выполняемых одновременно работ околоствольный двор может быть одно- или двусторонним. При одновременном сооружении станционных и перегонных тоннелей, как правило, применяют двусторонний околоствольный двор, а при строительстве только станционных тоннелей — односторонний (см. рис. 4.1, б, в). В первом случае околоствольный двор и подходные выработки располагают по высоте в уровне откаточных путей перегонных тоннелей, во втором случае — в уровне откаточных путей станционных тоннелей. При этом подходные выработки на трассу выводят за пределы платформенной части станции [15, ч. 2], а их сечение должно обеспечить укладку двух откаточных путей.
В общем случае строительство станции может быть организовано по одному из следующих способов: параллельный, последовательный и поточный. Параллельный способ организации работ предполагает проходку станционных тоннелей одновременно с некоторым отставанием (25—30 м) один от другого (рис. 4.2, а). При
Год Месяц График производства работ
1 „7
2 И = 15 м/мес
3
4 ' ** V = 25 м/мес
5 »-— _ СТ
I 6 | = 37,5 м/мес
7 L Цг 2 ^4
8
9
10 41—. п 6 1
11 □ □ 1 □ i f 1
12 1 ! Оо □ □ □ Os
13 □ ——
14 \ • —— &...
И 15 ^-^9
16 10 _ 10
17 - “
— .
Год Месяц График производства работ
1 7-
2 2^
3 |
4 дн
5 ^6
I 6 9_
7 -XL К/ '13
8 §р7/ /0^^^ IA
9 К ^17 “^72 ^14 16^
10 d 45^ ,
11 л ^18 19^
12 Г 22 20^
13
14 "23
15 1-24 25-
16 .^26
II 17 ,^26
18
19
20
21
22
Рис. 4.2. Графики работ по сооружению станции:
а параллельный график работ: 1 сооружение камер для монтажа укладчика обделки; 2 монтаж укладчика; 3 проходка левого тоннеля; 4 проходка правого тоннеля; 5 проходка среднего тоннеля; 6 демонтаж укладчика; 7 сооружение проемов; 8 монтаж внутритоннельных конструкций; 9 отде лочные работы; 10 укладка пути; б последовательный график работ: 1 сооружение щитовой камеры правого тоннеля; 2 монтаж станционного щита
№ 1; 3 вывод щита № 1 из камеры; 4 монтаж станционного укладчика; 5 сооружение демонтажной камеры правого тоннеля; 6 монтаж станционного щита № 2; 7 вывод щита № 2 из камеры и монтаж укладчика; 8 сооружение правого тоннеля щитом № 1; 9 сооружение проемных рам правого тоннеля; 10 сооружение левого тоннеля щитом №2; 11 демонтаж щита № 1; 12 демонтаж станционного укладчика; 13 сооружение натяжной камеры через эскалаторный тоннель; 14 монтаж станционного щита № 1; 15 монтаж стан ционного укладчика; 16 сооружение щитовой камеры № 2; 17 сооружение ходка из правого тоннеля; 18 сооружение демонтажной камеры среднего тон неля; 19 демонтаж щита № 2; 20 демонтаж станционного укладчика; 21 сооружение среднего тоннеля щитом № 1; 22 сооружение проемных рам лево
го тоннеля; 23 демонтаж щита № 1; 24 демонтаж станционного укладчика; 25 сооружение проемных рам среднего тоннеля; 26 сооружение проходов;
27 укладка бетона жесткого основания
этом продолжительность строительства станции минимальная, а потребление ресурсов — максимальное. Последовательный способ предполагает выполнение работ одним комплектом оборудования, что позволяет достичь наилучшего его использования, но увеличивает сроки строительства (рис. 4.2, б).
При поточном способе организации строительства весь комплекс работ по возведению станции делят на отдельные процессы примерно одинаковой трудоемкости в соответствии со специализацией и квалификацией исполнителей (проходка тоннеля, возведение обделки, нагнетание раствора за обделку и чеканка швов, монтаж колонно-прогонных конструкций или сооружение проходов и пилонов, монтаж внутренних конструкций, архитектурно-отделочные работы, устройство пути и контактного рельса, санитарно-технические работы и др.).
Для осуществления этих процессов тоннели расчленяют на отдельные захватки с целью создания наиболее благоприятных условий работы отдельным исполнителям и максимального совмещения процессов во времени.
Поточный метод основан на единообразии технологических процессов и непрерывности производства работ, обеспечивает равномерность потребления ресурсов и ритмичность выполнения отдельных процессов. Наряду с этим он создает наиболее благоприятные условия для работы организаций-смежников (субподрядчиков, заводов-поставщиков, транспортных, снабженческих организаций и др.). Сохраняя соответствующие преимущества последовательного и параллельного способов, он позволяет ослабить их недостатки.
Независимо от выбранного способа организации производства работ, строительство ведут в такой технологической последовательности, чтобы свести к минимуму подвижки грунтового массива и проседание кровли выработок. При этом отдельные виды работ и производственные процессы, выполняемые на различных участках станционного комплекса, должны быть технологически увязаны между собой: одни из них необходимо совмещать во времени, другие выполнять последовательно.
Организация подземных работ в условиях водопритоков должна предусматривать отвод воды самотеком в водосборники промежуточных водоотливных установок (ВОУ) с последующей перекачкой ее в водосборник главной ВОУ. При проходке тоннеля под уклон для удаления воды из забоя в промежуточную ВОУ следует предусматривать отдельные насосы. Уклон открытых водоотводящих устройств должен быть не менее 3 %о.
На всех стадиях проходческих и строительно-монтажных работ необходимо предусматривать искусственную вентиляцию подземных выработок. При проходке стволов, околоствольных подходных выработок и тоннелей глухим забоем вентиляция может осуществляться всасыванием загрязненного воздуха или нагнетанием свежего воздуха по трубам. Система вентиляции должна обеспечивать реверсирование воздушной струи. Объем воздуха, проходящего по выработкам в реверсивном режиме проветривания, должен составлять не менее 60 % объема воздуха, проходящего при нормальном режиме. Объем воздуха принимают не менее 6 м3/мин на каждого человека, а по взрывоопасным газам — из расчета образования 40 л условной окиси углерода при взрыве 1 кг ВВ. Мощность вентиляционных установок (ВУ) назначают, исходя из времени проветривания забоя после взрыва не более 30 мин. В призабойной зоне
должны осуществляться мероприятия по пылеподавлению и пылеулавливанию [92].
Подземные участки строительства обеспечивают сжатым воздухом от стационарных компрессорных станций, участки открытых работ — от передвижных компрессорных установок. Производительность, число и размещение компрессорных станций должны определяться в ПОС.
Электроснабжение строительства следует предусматривать от подстанций городской энергосистемы по самостоятельным воздушным или кабельным линиям напряжением 10 кВ. Электроснабжение отдельных площадок открытого способа работ допускается предусматривать от передвижных электростанций, а установок шахтного подъема, ВОУ и ВУ, сетей освещения подземных выработок — от двух независимых источников.
Сети рабочего и аварийного освещения должны быть раздельными. Аварийное освещение необходимо предусматривать: в шахтном стволе и околоствольном дворе, электроустановках, ВОУ, ВУ, в замораживающих установках, складах ВМ, выработках и тоннелях, а также в помещениях главного диспетчера и медпункта. Питание сети аварийного освещения должно осуществляться от независимого источника и включаться автоматически при отключении сети рабочего освещения.
Эвакуационное освещение необходимо устраивать в стволе и на основных проходах выработок и тоннелей. Светильники эвакуационного освещения могут получать питание от сети аварийного освещения.
Контрольные вопросы к главе 4
1. Дайте определение понятия «организация строительства».
2. Из каких компонентов складывается структурная схема многофакторных связей организации метростроения?
3. В чем заключается сущность хозяйственного и подрядного способов работ?
4. С какой целью проводят подрядные торги?
5. Что входит в состав организационно-технической подготовки строительства?
6. Какие работы выполняют в подготовительный период?
Глава 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОРГАНИЗАЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА
5.1. Основные положения о проектировании метрополитенов
Строительству любого объекта независимо от его значимости, сложности и стоимости предшествует разработка проекта — документа, определяющего размещение, объемно-планировочные, конструктивные и архитектурные решения, организацию строительства сооружения [7; 16; 18; 20; 65; 78; 81; 82; 93, гл. 26, 27; 107, гл. 1; 120, гл. 3]. Неотъемлемой частью проекта является смета, в которой определяется стоимость строительства. Проект и смету к нему с расчетами, чертежами и другими документами называют проектносметной документацией (ПСД). Законодательство России запрещает строительным организациям производить, а учреждениям банков финансировать капитальное строительство без утвержденной в установленном порядке ПСД.
Работа по проектированию метрополитенов в нашей стране осуществляется, в основном, проектными организациями. Проекты метрополитенов разрабатываются комплексно, с обеспечением увязки между собой отдельных частей проекта — технологической, строительной и других. Ведущая роль в проектировании принадлежит генеральной проектной организации (генпроектировщику), выполняющей комплекс проектных и изыскательских работ. Генпроекти-ровщик привлекает по мере необходимости специализированные проектные и изыскательские организации для выполнения на договорных началах некоторых частей проектов или видов изыскательских работ. При этом ответственность за проект несет генпроекти-ровщик, который возглавляет проектирование и осуществляет взаимную увязку всех частей проекта.
Проектные организации отвечают за техническую и экономическую целесообразность и качество проекта, правильность определения сметной стоимости строительства, разработку ПСД в установленные сроки.
Исходными данными для проектирования объекта являются материалы инженерных изысканий и требования к его потребительским качествам, изложенные в задании на проектирование.
Инженерные изыскания. Качество проектирования подземных сооружений метрополитена в значительной степени зависит от уровня организации и проведения технико-экономических изысканий, которые выполняются на всех стадиях проектирования по специально разработанным программам.
В процессе экономических изысканий проводят транспортноэкономические обследования, выявляющие потребность района в создании новых, развитии и усилении существующих транспортных связей и объектов; изучают и составляют характеристики природных и экономических ресурсов района. Технические (инженерные) изыскания проводят с целью определения наиболее рациональных вариантов расположения на местности проектируемого объекта.
Виды инженерных изысканий весьма разнообразны. Они включают в себя топографо-геодезические, инженерно-геологические, метеорологические и гидрогеологические исследования. В процессе инженерных изысканий согласовывают вопросы размещения проектируемых транспортных устройств и сооружений, примыкания их к действующим путям, подключения коммуникаций, использования природных ресурсов. Решающим этапом изысканий транспортных объектов является трассирование, в результате которого устанавливают наиболее выгодное положение объектов на местности. Выгоднейшее положение определяется сравнением ряда вариантов. Предпочтение отдается варианту с минимальными стоимостями строительных работ и эксплуатации. Трассирование производят камерально по картам и фотосхемам, а также в полевых условиях.
Задание на проектирование. После выбора площадки (трассы) для строительства объекта заказчик с участием генерального проектировщика в соответствии с требованиями «Положения об оценке качества ПСД» составляет задание на проектирование — документ, содержащий основные данные для проектирования предстоящего строительства.
В задание на проектирование метрополитена включают: сроки выполнения проекта, особые условия строительства (сейсмичность, просадочность грунтов, наличие многолетней мерзлоты и пр.), ва
рианты проектных решений, в том числе архитектурного оформления станций, состав демонстрационных материалов, наименования организаций — генпроектировщика и генподрядчика, составы пусковых комплексов, основные технико-экономические показатели (ТЭП), требования по проектированию объектов жилищно-гражданского назначения и защитных сооружений, по внедрению новой техники и применению передовых методов организации строительства; показатели эффективности капитальных вложений, снижения материалоемкости и трудоемкости строительства и роста производительности труда; долю применения прогрессивных видов СМР; требования по разработке защитных сооружений, по выполнению научно-исследовательских и опытно-экспериментальных работ при строительстве, по применению передовых методов организации строительства.
Задание на проектирование должно быть исчерпывающе ясным и кратким.
Общие положения о проектировании. В настоящее время в строительной отрасли России существуют две системы проектирования: традиционная, сложившаяся в СССР еще в 1930-е годы, и новая, заимствованная в последние десятилетия в ряде зарубежных стран. При любой системе ПСД должна разрабатываться преимущественно на конкурсной основе, т.е. через торги подряда, проводимые среди проектных организаций (см. п. 4.1).
Традиционная система проектирования предлагает порядок разработки ПСД в одну (рабочий проект) или в две (проект и рабочая документация) стадии. Независимо от стадийности разработка проекта осуществляется на основе выполненных проектировщиком и утвержденных заказчиком обоснований инвестиций (ОИ) в строительство сооружения (см. п. 4.2).
Проектирование технически несложных объектов, а также объектов, сооружаемых по типовым и повторно применяемым объектам, выполняют в одну стадию. Одностадийное проектирование значительно приближает срок начала строительства, так как оно может развертываться по мере готовности рабочей документации на отдельные объекты и виды работ. Кроме того, существенно сокращаются объемы ПСД, поскольку многие чертежи нет необходимости разрабатывать дважды [82].
При двухстадийном проектировании на первой стадии составляется технико-экономическое обоснование (ТЭО), или проект (П) объекта строительства. Двойное наименование стадии, единой по составу и содержанию документации, принято в целях преемственности действующей законодательной и нормативной базы и совместимости понятий с терминологией, применяемой за рубежом [7, с. 91]. Затем на основе утвержденного в установленном порядке ТЭО (проекта) разрабатывается рабочая документация (РД), структура которой аналогична проекту, но отличается детализацией решений, рабочие чертежи (РЧ) составляются в соответствии с действующими нормативами. Из организационно-технологической документации на этой стадии разрабатывают проект производства работ (ППР) и рабочие чертежи специальных вспомогательных сооружений и устройств (СВС и У).
Проектирование метрополитена обычно ведут в две стадии: вначале разрабатывают и утверждают проект линии, а затем на основе утвержденного проекта — рабочую документацию. В проекте линии метрополитена дают решения основных вопросов, касающихся строительства и эксплуатации: необходимая детализация проектных решений, принятых в ТЭО, уточнение ТЭП, в том числе стоимости строительства; положение трассы линии, габаритные требования; особенности местных условий строительства; расположение станций и пересадочных узлов; объемно-планировочные, конструктивные, технологические и другие решения. При этом в проекте приводят данные о соответствии принятых технологий, оборудования, строительных решений, организации производства и труда новейшим достижениям отечественной и зарубежной науки и техники. Применение технологических процессов и оборудования, не отвечающих новейшим достижениям науки и техники, запрещено.
Новая система проектирования предполагает разработку ПСД по следующим стадиям: I — программа развития линии метрополитена (ПРЯМ); II — обоснование инвестиций (ОИ); III — инженерный проект (ИП); IV — рабочая документация (РД). Первые две стадии — предпроектные, выполняются на основе целевых федеральных и региональных программ.
Задачами ИП являются: выбор оптимальных технических решений; определение объемов работ и необходимых инвестиций; составление комплекта документации для проведения подрядных торгов.
При благоприятном исходе торгов составляется РД аналогично второй стадии «традиционной» системы.
В условиях рыночной экономики сместились акценты ответственности участников проектирования и строительства метрополитенов.
Заказчик сегодня — это главная сторона, заинтересованная в осуществлении проекта и достижении его результатов. Он определяет требования и масштабы проекта, обеспечивает финансирование, заключает контракты с основными исполнителями проекта, несет ответственность по договорам, координирует взаимодействие всех участников проекта, иначе говоря — несет полную ответственность за исполнение проекта перед обществом и законом.
Проектировщик — юридическое лицо, выполняющее по договору проектно-изыскательские работы в рамках проекта. Вступает в договорные отношения непосредственно с заказчиком.
Генеральный подрядчик — юридическое лицо, чье предложение принято заказчиком. Несет ответственность за выполнение работ в соответствии с договором. Подбирает субподрядчиков и заключает с ними договора на выполнение отдельных работ и услуг. Роль генподрядчика обычно выполняют строительные или проектностроительные фирмы и организации.
Поставщики — субконтракторы, осуществляющие разные виды поставок на контрактной основе.
Органы государственной власти — сторона, обеспечивающая надзор за соблюдением экологических, социальных, налоговых и других общественных и государственных требований, связанных с реализацией проекта.
Проект метрополитена по классу относят к мультипроектам — комплексным проектам, состоящим из монопроектов и требующим применения многопроектного управления; по масштабу — к крупным; по длительности — к долгосрочным (свыше 5 лет); по сложности — к очень сложным; по в и д у проекта — к инвестиционным и социальным.
При разработке проекта линии метрополитена отдельные технологические, конструктивные, архитектурные и другие решения могут быть представлены в нескольких вариантах на конкурсной основе.
При проектировании подземных сооружений генеральный проектировщик разрабатывает основные положения на проекти
рование и представляет их заказчику для получения заключения генерального подрядчика. Эти положения должны обеспечивать единство строительных решений и широкое внедрение наиболее экономичных решений, снижение сметной стоимости, трудоемкости строительства и расхода материальных ресурсов.
Проектные организации должны обеспечивать патентоспособность, патентную чистоту технических решений и составление патентного формуляра.
Технико-экономическое обоснование строительства метрополитена. С целью улучшения качества проектирования и повышения обоснованности строительства крупных и сложных объектов, к которым относятся метрополитены, на предпроектном этапе при традиционной системе проектирования предусмотрена разработка ТЭО предлагаемого к проектированию объекта. В ТЭО обосновывается место размещения объекта, порядок обеспечения ресурсами; приводятся рассмотренные объемно-планировочные, конструктивные и строительные решения; определяются примерные объемы основных работ, ориентировочная стоимость и т.д.
При определении стоимости строительства в ТЭО учитывают новизну технических решений, технологию производства и применяемого оборудования, требования к сохранению окружающей природной среды, степень изученности геологических и гидрогеологических условий района, требования к улучшению условий труда и быта работающих. При разработке ТЭО составляют несколько вариантов решения задачи, и на основе их технико-экономического сравнения выбирают лучший.
Метод вариантного проектирования широко используется в отечественной практике проектирования подземных сооружений. Применение его страхует от случайных ошибочных выводов, обеспечивает оптимальность принимаемых решений и способствует повышению эффективности капиталовложений в строительстве.
Обязательным условием правильного использования этого метода является равноценность сравниваемых вариантов по обеспечению выполнения задач. Нельзя, например, сравнивать двухпутный тоннель с однопутным, но можно сравнивать двухпутный тоннель с двумя однопутными, сооружаемыми в два этапа. Также важны равная степень обследования местных условий и одинаковый уровень технической
разработанности для каждого варианта. Недопустимо, в частности, сравнивать варианты расположения тоннелей, разработанные для одного варианта на основе данных полевых изысканий, а для другого варианта — по карте. Сомнительными получились бы и результаты сравнения работы двух систем вентиляции, из которых одна апробирована практикой, а другая не вышла из стадии лабораторных исследований. Не следует также сравнивать варианты строительства станции в котловане с откосами и траншейным способом, так как при этом предполагаются различные условия городской застройки [20].
При составлении вариантов широкое применение должны находить типовые проекты и унифицированные конструктивно-планировочные решения. Использование типового проекта связано лишь с привязкой его к местным условиям, т.е. с уточнением рабочих чертежей, с разработкой вариантов примыкания к сетям и устройствам.
Более 80 % работ, выполняемых в метростроении, осуществляется по типовым проектам. Применение типовых проектов способствует расширению индустриализации, сокращению продолжительности, повышению качества и снижению сметной стоимости строительства.
Важным направлением совершенствования типового проектирования является внедрение единых габаритных схем унифицированных подземных сооружений, унификация и сокращение числа типоразмеров строительных деталей и конструкций. Типизацию и унификацию в строительстве осуществляют с учетом правил единой модульной системы (ЕМС). Типовые проекты «стареют» по мере совершенствования техники и экономики строительства, поэтому их периодически пересматривают.
При проектировании линий метрополитена, особенно в районах плотной городской застройки, обычно разрабатывают несколько вариантов расположения станций, которые могут различаться своим положением относительно площадей и улиц, количеством входов и выходов, взаимной увязкой с другими станциями. При сравнении таких вариантов наряду с ТЭП важнейшим фактором является создание максимальных удобств для пассажиров. Линии метрополитена мелкого заложения по сравнению с линиями глубокого заложения удобны в эксплуатации — пассажиры теряют меньше времени
на спуск к поездам и подъем на поверхность. Однако в отдельных случаях при необходимости проходки под многоэтажной застройкой или крупными городскими коммуникациями может оказаться более целесообразным строительство линий глубокого заложения со станциями закрытого способа работ.
Варианты станций закрытого способа работ должны быть, как правило, однотипными (односводчатые, колонные или пилонные). При этом необходимо учитывать, что в однородных глинистых грунтах твердой консистенции или скальных грунтах, поддающихся механизированной разработке, целесообразно применять односводчатые конструкции; в слабых грунтах с большим горным давлением эффективны станции пилонного типа; в грунтах с коэффициентом крепости 1,5 < f < 6 можно применять пилонные и колонные станции, различающиеся объемами работ, эксплуатационными показателями и архитектурными параметрами.
В односводчатых станциях варьируют конструкции опорных частей и свода, решения внутреннего объема; в пилонных станциях — конструкции обделок, ширину проемов, соотношение размеров среднего и боковых тоннелей; в колонных, кроме того, могут быть запроектированы стальные или железобетонные прогоны и колонны, соединенные или сдвоенные клинчатыми перемычками и т.д.
Для станций необходимо выбрать материал обделки в зависимости от инженерно-геологических условий. При отсутствии подземных вод или малом гидростатическом давлении (до 0,05 МПа в уровне лотка) рекомендуется применение сборной железобетонной обделки.
Не подлежат сравнению варианты обделок одного диаметра, имеющие различные геометрические параметры тюбингов или блоков, но вполне возможно сравнивать в этих условиях обделки из различных элементов, например из ребристых и сплошных блоков. Не следует также сравнивать однотипные конструкции пилонной станции, варьируя только расстояния между смежными тоннелями и ширину пилонов вдоль оси станции. Конструкции обделок перегонных тоннелей метрополитена, сооружаемых закрытым способом, проектируют, как правило, кругового очертания. Для открытого способа строительства конкурентоспособны сборные и цельносекционные конструкции прямоугольного очертания.
После составления вариантов им необходимо дать технико-экономическую оценку путем составления количественных (натуральных) и качественных (натурных) показателей. К первым относят технические характеристики проектных решений, физические объемы, стоимость и трудоемкость работ. Такие же характеристики, как гидрогеологические условия, плотность и этажность застройки и др., могут быть выражены только качественной оценкой. Основные показатели вариантов сводят в таблицу (табл. 5.1).
Таблица 5.1
Основные показатели сравниваемых вариантов
Наименование работ Шифр норм по гэсн, ФЕР, ТЕР, ФССЦ и др. Еди ница изме рения Единич ные расценки, руб. (затраты труда, чел. ч) Данные по вариантам
1 вариант 2 вариант
Ко личе ство Стой мость, руб. (трудоем кость, чел. ч) Ко личе ство Стой мость, руб. (труде емкость, чел. ч)
Проходка выра ботки ... в грун тах ...
Устройство об делки с исполь зованием ...
Путем умножения основных объемов работ и материалов на единичные расценки (трудозатраты) и суммирования результатов по каждому варианту определяют их стоимость (трудоемкость). К детальной разработке принимают вариант, обладающий лучшими эксплуатационными показателями, наименьшими стоимостью (трудоемкостью) и сроками строительства. При равных ТЭП предпочтение отдают варианту, сооружение которого предполагает наибольшую механизацию технологических процессов.
Для определения стоимости вариантов подсчитывают основные объемы работ и расход материалов по следующим главным показателям: при закрытом способе работ — объем грунта по наружному контуру сооружения, объем бетона (железобетона) обделки (отдельно сборного и монолитного), масса металла обделки, скреплений и арматуры, количество сборных элементов в коль
це, ширина конструкции, количество типоразмеров элементов, протяженность швов расчеканки, расход материалов на временную крепь; при открытом способе работ — объем разработки грунта по размерам котлована, объем обратной засыпки, объем монолитного и сборного железобетона (раздельно), расход арматуры, площадь гидроизоляции конструкций, расход материалов на крепление котлована.
Дополнительно для станций метрополитена оценивают: длину станции, ширину и площадь посадочной платформы, объем внутреннего пространства на одного пассажира в час пик и т.п.
Объемы работ на сооружение тоннелей и метрополитенов определяют на основании чертежей в соответствии с технической частью и номенклатурой параграфов сметных норм, приведенных в ГЭСН-29 (книги 1 и 2), ФЕР-29, ФССЦ (ч. I—V) и др. Все подсчитанные по вариантам объемы работ вносят в ведомость. Трудоемкость работ Тр определяют умножением нормы затрат труда Нзт (чел.-ч) на объемы работ Ор.
Нормы затрат труда на строительство тоннелей и метрополитенов определяют по соответствующим сборникам единых, ведомственных типовых местных норм и расценок (ЕНиР, ВНиР, МНиР и др.).
Все недоработки и просчеты, допущенные в ТЭО, вызовут впоследствии дополнительные объемы проектных работ, удлинят сроки проектирования и могут изменить ТЭП, а это приведет к иным выводам, а иногда — к бросовым проектно-изыскательским работам.
Затраты на строительство в ТЭО должны быть определены с необходимой достоверностью, и в дальнейшем при разработке проектно-сметной документации (ПСД) они не должны быть ухудшены.
Оценка рисков и страхование. Осуществление проекта в условиях рыночной экономики происходит в окружении динамичной внутренней и внешней среды, которая оказывает на него большое и разнообразное воздействие: физическое, экономическое, социальное, финансовое, организационное и др. В определенных условиях любое из этих воздействий может оказаться критическим и привести к разрушению объекта (см. раздел VIII).
Страхование гражданской ответственности за принесенный ущерб в строительстве является общепринятой во всем мире фор
мой финансового обеспечения по возмещению ущерба от непредвиденных обстоятельств.
Строительные фирмы (генподрядчик) заинтересованы в страховании собственных рисков, особенно подземных сооружений как наиболее опасных и подверженных чаще всего влиянию непредвиденных обстоятельств. В этом случае появляется необходимость привлечения страховых компаний, имеющих практику страхования рисков подобных объектов.
Оценка технических рисков и возможностей их минимизации осуществляется привлекаемыми для этих целей независимыми экспертами. Основные задачи, которые ставятся перед независимыми экспертами:
выявление категорий, факторов риска и их оценка;
минимизация последствий возможных аварий и ущерба, нанесенного непредвиденными обстоятельствами;
воздействие подземного сооружения на окружающую среду;
соответствие генподрядчика и его компетенции уровню и требованиям, предъявленным к сооружаемому подземному объекту, и др.
На начальной стадии проектирования определяют основные области возможного риска, готовят исторический обзор международного опыта на подобных проектах, разрабатывают основную проектную схему, проводят первоначальный анализ характера и степени сложности возможных критических ситуаций. К рабочему проектированию приступают после проведения анализа и получения заключения экспертов в области управления рисками. При составлении проекта продолжают детальное изучение и исследование инженерно-геологических и других условий строительства, а также выбор решений из альтернативных вариантов проекта.
В качестве распределенного риска как совокупности частных рисков рассматривают: по строительству — срыв плановых сроков, непредвиденные физические (инженерно-геологические, гидрогеологические, метеорологические и пр.) условия, неадекватность способа и некачественное выполнение и удорожание работ; по эксплуатации — перерывы в эксплуатации по причине неисправностей или упущений, заниженная оценка эксплуатационных расходов, организационные сложности, препятствующие своевременному выполнению плановых ремонтов и профилактических мероприятий
текущего содержания и др.; по финансированию — неудачный выбор условий и сроков кредита, повышение процентной ставки, несоблюдение обязательств по долевому участию и т.п.; по извлечению доходов — неточный прогноз.
Основными видами глобальных рисков являются: политические — изменения в действующем законодательстве, влекущие за собой изменения условий реализации проекта; коммерческие — колебания рыночной конъюктуры как фактора спроса, угроза экономического спада, информационные процессы, колебания валютных курсов; экологические — угрожающие изменения окружающей среды. Сильно влияющими являются политические, экономические, природные факторы; существенно влияющими — общественные, культурносоциальные, экономические и другие факторы.
Доля средств, потраченных на разработку проекта, составляет в среднем 10—12 % от общей стоимости объекта. Небольшое увеличение денег и времени на стадии разработки проекта на определение опасных ситуаций, устранение рисков и разработку возможных методов контроля и управления рисками, несомненно, является необходимым.
5.2. Система нормативных документов в строительстве
Виды нормативных документов. Основой действующей нормативной базы в Российской Федерации до недавнего времени были утвержденные ранее Госстроем СССР общесоюзные нормативные документы — строительные нормы и правила (СНиПы) и государственные стандарты (ГОСТы). Общесоюзные (общегосударственные) строительные нормы и правила, многие из которых действуют на территории России до настоящего времени, устанавливают: требования к организации, управлению и экономике в области проектирования, инженерных изысканий и строительства; нормы проектирования, правила организации, производства и приемки работ; методы определения стоимости строительства и сметные нормы; нормы затрат материальных и трудовых ресурсов [78—88, 90—92].
Ведомственные нормативные документы содержат требования к проектированию, инженерным изысканиям, строительству, производству строительных конструкций, изделий и материалов, учи
тывающие особенности отрасли экономики. К ведомственным нормативным документам относятся: ведомственные (отраслевые) строительные нормы (ВСН), ведомственные нормы технологического проектирования (ВНТП), отдельные сметные нормативы [8—13, 94—96]. Ведомственные нормативные документы обязательны для всех организаций ведомства, утвердившего их. Для организаций других ведомств эти документы становятся обязательными, если они введены в действие соответствующим ведомством. Ведомственные нормативные документы обязательны также для организаций, осуществляющих проектирование и строительство объектов данного ведомства.
Дополнительно разрабатывались пособия [63, 64], разъясняющие отдельные положения нормативных документов и содержащие алгоритмы и примеры расчетов, другие вспомогательные и справочные материалы для проектирования и строительства. Пособия к нормативным документам разрабатываются и утверждаются организациями, являющимися разработчиками самих нормативных документов.
Нормы продолжительности строительства метрополитенов. При проектировании метрополитенов все работы планируют в укрупненном виде по расчетным нормативам продолжительности строительства. Нормы нужны финансирующим банкам, заказчикам, подрядчикам, проектировщикам, органам материально-технического снабжения, контроля и надзора за строительством.
Нормы продолжительности строительства объектов охватывают период от начала выполнения внутриплощадочных подготовительных работ до ввода объектов в эксплуатацию. Продолжительность строительства устанавливают с применением поясных территориальных коэффициентов.
Сокращение продолжительности строительства возможно при совмещении этапов создания объекта. Так, проектирование, подготовка проекта к рассмотрению и его экспертиза могут быть совмещены с разработкой РД. Инженерные изыскания могут совмещаться с работами предпроектного периода и частично — периода проектирования. Разработку РД для второго и последующих лет строительства можно выполнять параллельно со строительством в первый год.
Для первой линии метрополитена нормы установлены, исходя из протяженности первого пускового участка 7—10 км, и учитывают наращивание мощности строительной организации. Нормы устанавливают продолжительность и задел строительства линий в зависимости от категории сложности инженерно-геологических и градостроительных условий, протяженности и глубины заложения линии.
Отнесение линии, имеющей участки глубокого и мелкого заложения, к тому или иному заложению производят в зависимости от относительной протяженности этих участков. При наличии на линии участков глубокого заложения свыше 40 % от ее протяженности линию относят к линиям глубокого заложения, менее 40 % — к линиям мелкого заложения.
Категорию сложности градостроительных и инженерно-геологических условий (простые, средней сложности и сложные) устанавливают по совокупности факторов. Например, при пересечении линией метрополитена крупной водной преграды, требующей специальных мероприятий при строительстве, или при строительстве метрополитена в городе с сейсмичностью 8 баллов и более, условия относятся к сложным. Если же такие преграды отсутствуют или строительство ведется в городе с сейсмичностью до 7 баллов, категория сложности — простая и т.д.
Продолжительность строительства линий, сооружаемых в сложных инженерно-геологических условиях, и первых линий протяженностью свыше 10 км устанавливается в ПОС. Продолжительность и трудоемкость СМР и горно-строительных работ определяют по соответствующим сборникам норм и расценок (ЕНиР, ВНиР и МНиР). Эти нормы предназначены для составления калькуляций затрат труда и других документов, учитывающих передовой опыт организации работ. При применении на стройке более современной организации или технологии строительства, новых более эффективных материалов и конструкций, чем это предусмотрено ЕНиР и ВНиР, должны разрабатываться местные технически обоснованные нормы времени.
Сметные нормы и расценки. С 1 сентября 2003 г. осуществлен переход на новую сметно-нормативную базу 2001 г., в основу которой положены единые ресурсные показатели — государственные элементные сметные нормы (ГЭСН-2001), а также нормативы
лимитированных и прочих затрат (накладных расходов, сметной прибыли и др.).
На базе единой методологии и ГЭСН разработаны региональные (территориальные) и отраслевые единичные расценки. Однако, как показывает практика, при переходе на новую сметнонормативную базу ценообразования в строительстве возникают трудности, связанные с отсутствием некоторых сборников ГЭСН, особенно на специализированные виды работ, а также с отставанием в разработке территориальных единичных расценок (ТЕР-2001). Для решения проблемы разработан ряд документов, которые позволяют в случае отсутствия необходимых территориальных расценок определять стоимость в новой базе, используя нормативы федерального уровня.
Изменились подходы к нормированию затрат (прямых, лимитированных, прочих), к определению средств на оплату труда, эксплуатацию машин и механизмов, материальных ресурсов; к определению нормативов накладных расходов, сметной прибыли, затрат на временные здания и сооружения, на зимнее удорожание и т.д. Появились новые виды прочих затрат. И самое главное — изменилась сама экономическая основа отношений в строительной сфере; теперь она характеризуется многообразием цен, методов и подходов к определению стоимости строительства.
Очевидно, что наличие нормативов еще не позволяет полноценно рассчитывать сметную стоимость. Необходимо уметь правильно ими пользоваться. К сожалению, существующие сегодня нормативно-методологические документы (своды правил, указания и пр.) не дают ответов на конкретные вопросы, поскольку носят укрупненный, иногда поверхностный характер. Заполнить методологический вакуум призвано «Практическое пособие по составлению смет в строительстве на основе новой сметно-нормативной базы 2001 года» [65]. В пособии реализуется принцип многовариантного решения задач сметного дела. Ведь в каждом конкретном случае существует несколько подходов, обоснованных и методологически, и законодательно, применение которых возможно при условии согласования соответствующими сторонами.
По сути, названное пособие есть не что иное, как свод правил по составлению сметной документации, аналогичный существующим
в Европе нормам FIDIC в отношении договоров подряда на строительство и поставку строительных материалов и оборудования, позволяющий заказчикам и подрядчикам при заключении контрактов юридически закреплять в них обязательные к исполнению и реализации конкретного проекта подходы к определению цены и проведению расчетов за выполненные работы.
В пособии выделяются два метода сметных расчетов: ресурсный, основанный на применении элементных сметных норм различного уровня (государственных, территориальных, отраслевых), и базисноиндексный, основанный на использовании единичных и территориальных расценок. Каждому методу посвящены отдельные главы, содержащие большое количество примеров сметных расчетов, составленных в различных вариантах по утвержденным формам. Для большего понимания расчеты снабжены комментариями.
Основные направления развития нормативной базы проектирования и строительства метрополитенов. Разнообразие подземных сооружений, подрядчиков, осуществляющих их проектирование и строительство, обусловили существенные различия нормативов: для гидротехнических тоннелей одной из основных нагрузок на обделку является давление воды изнутри тоннеля, для транспортных более существенно внешнее давление подземных вод; подземные сооружения горнодобывающей промышленности допускают большие деформации горного массива, а для городских тоннелей такие деформации недопустимы, и т.д. Все это находит отражение в соответствующих нормах на проектирование и строительство.
В то же время различные по назначению подземные сооружения имеют много общего: в любом случае необходимо обеспечить максимально быструю, безопасную и экономически эффективную проходку, крепление выработки, возведение постоянной обделки. Чаще всего материалом для постоянной обделки служат железобетонные или чугунные тюбинги, блоки, монолитный бетон, железобетон или набрызгбетон. Все более широкое применение в различных областях подземного строительства находят такие прогрессивные технологии, как новоавстрийский способ, горнопроходческие комбайны и т.д. Взаимопроникновение прогрессивных технологий, оборудования, способов крепления, конструкций и методов расчета могло быть значительно глубже, если бы не ведомственная разобщенность.
Регламентируя деятельность участников строительного производства, действующие нормы не обеспечивали необходимую полноту в вопросах защиты интересов потребителей продукции строительства и не создавали условия для развития инициативы исполнителей.
Необходимость совершенствования нормативной базы не вызывает сомнений. Прежде всего это относится к сметным нормам. Цена на строительную продукцию складывается в зависимости от рыночной ситуации, что ни в коей мере не исключает потребности в разработке аппарата для ее расчета. Заказчик, решая вопрос о необходимости и возможности строительства объекта, должен достаточно достоверно прогнозировать затраты на его возведение. Нормативы содержат удельные затраты на создание единицы строительной продукции, например, стоимость 1 м перегонного тоннеля метрополитена, и могут быть дифференцированными по потребительским качествам продукции.
Подрядчик, решив участвовать в торгах, должен достаточно точно определять свои затраты на выполнение работ по заказу и фактические затраты своего предприятия. Для этого каждая строительная организация должна накапливать информацию, позволяющую создавать внутренние нормативы, представляющие его коммерческую тайну. За счет сопоставления будет определяться тот минимум цены, который обеспечивает величину прибыли, определяющей целесообразность участия в выполнении заказа. Чем лучше организовано производство, тем выше конкурентоспособность подрядчика.
Повышая качество выполнения работ, подрядчик получает преимущество в торгах. Заказчик может пойти на увеличение цены за счет повышения качества продукции, если это компенсируется снижением эксплуатационных расходов или расширением функциональных возможностей продукции (повышение эксплуатационной надежности, долговечности и т.п.).
Для проектных организаций необходимы нормативы, позволяющие сопоставлять варианты решений и выбрать наиболее целесообразные с учетом усредненных региональных особенностей.
С 1 июля 2003 г. введен в действие СНиП 10-01-2003 «Система нормативных документов в строительстве. Основные положения» взамен ранее действовавших СНиП 10-01-94. Этот СНиП ставит главной задачей защиту прав и охраняемых законом интересов по
требителей строительной продукции, общества и государства при развитии самостоятельности и инициативы предприятий, организаций и специалистов.
Одним из основных средств решения этой задачи является переход к новым методическим принципам международной практики нормирования. При традиционном, так называемом описательном, или предписывающем подходе в нормативных документах приводили подробное описание конструкций, методов расчета, применяемых материалов и технологий. Вновь создаваемые строительные нормативы должны содержать в первую очередь эксплуатационные характеристики сооружений, основанные на требованиях потребителя. Нормативные документы должны устанавливать требования к строительной продукции, которые должны быть удовлетворены, или цели, которые следует достигнуть в процессе проектирования и строительства, а не предписывать, как проектировать и строить.
Способы достижения поставленных целей в виде объемно-планировочных, конструктивных или технологических решений могут быть различными. Практически те же принципы целесообразно положить в основу разработки технических регламентов, которые должны содержать в исчерпывающем объеме обязательные требования по безопасности, включая требования, которые ранее устанавливались в нормативных документах различных органов государственного надзора, и приниматься федеральными законами.
В это же время, с 1 июля 2003 г. введен в действие Федеральный Закон «О техническом регулировании», который отменил прежние законы «О стандартизации», «О сертификации продукции и услуг», а также положения других законов и постановлений, касающиеся правоотношений в сфере разработки, утверждения и применения нормативно-технических документов, надзора за их соблюдением. Положения этого Закона охватывают все отрасли экономики, в том числе строительство. Как известно, в этой области существует наиболее разветвленная система межведомственных норм, из которых только Своды правил носили рекомендательный характер, а остальные являлись обязательными для исполнения. По новому Закону все многообразие видов обязательных документов заменяется техническими регламентами в виде закона РФ.
Разработка технических регламентов по новому Закону может осуществляться любым лицом. Одновременно предусматриваются утверждение правительством РФ программы разработки технических регламентов создание федерального органа исполнительной власти по техническому регулированию, на который возлагаются обеспечение работы экспертных комиссий для проведения экспертизы технических регламентов и другие организационные задачи.
Таким образом, согласно Закону, любые заинтересованные ведомства, организации и физические лица могут самостоятельно разрабатывать и вносить законодательные инициативы в Государственную Думу через соответствующие субъекты права. Это требует принятия мер по обеспечению единства нормативно-технической базы проектирования и строительства, систематизированное обновление которой сдерживалось недостаточностью финансирования.
Другой вопрос — о системе строительных норм и правил. В соответствии с Законом, технические регламенты должны охватывать полные перечни продукции и процессов, к которым предъявляются обязательные требования по безопасности. Очевидно, регламентация в существующем виде и в исчерпывающем объеме всех необходимых требований к застройке, сооружениям, строительным процессам, материалам, изделиям, оборудованию на уровне законодательной власти невозможна. Тем более что безопасность строительных объектов регламентируется, как правило, большим количеством косвенных характеристик. Кроме требований по безопасности, сохраняется необходимость установления норм по созданию условий жизнедеятельности населения, эксплуатационной пригодности и долговечности сооружений, энергосбережению и многим другим, которые в составе технических регламентов Законом не предусматриваются. Многие из этих вопросов необходимо будет решать в форме добровольных норм.
Закон не запрещает разработку на федеральном уровне добровольных нормативно-технических документов. Нет также прямого запрещения территориальных строительных норм в качестве обязательных документов. Между тем представляется, что статьи 73 и 76 Конституции РФ дают субъектам РФ право принимать собственные обязательные нормативные документы. Наряду с этим
целесообразно сохранить в какой-то форме строительные нормы и правила как традиционную для России и известную за рубежом систему нормативных документов по строительству, постепенно создавая законодательную основу в виде технических регламентов. При этом принятые Госстроем России добровольные нормы по ряду аспектов могут стать основой для соответствующих территориальных норм.
Согласно Закону, существующие ныне государственные стандарты переходят в разряд национальных, приобретают добровольный характер и будут утверждаться национальным органом по стандартизации. Федеральный орган РФ по стандартизации сформирует технические комитеты по стандартизации, будет принимать программы разработки стандартов, организовывать их экспертизу, утверждать и издавать их.
Кроме национальных стандартов, в стране будут также разрабатываться для добровольного применения и самостоятельно утверждаться стандарты организаций: коммерческих, научных, общественных, саморегулируемых, а также объединений юридических лиц. Единственное ограничение: стандарты организаций не должны противоречить техническим регламентам. Технические условия, по которым поставляются строительные материалы и изделия, широко применявшиеся в строительстве, в качестве нормативных документов Закон не предусматривает.
Необходимые технические регламенты должны быть приняты в течение 7 лет со дня вступления в силу Закона, но не позднее 1 июля 2010 г. Обязательные требования действующих нормативных документов, соответствующие целям Закона по безопасности, при отсутствии регламентов будут действовать в течение этого срока, а затем утратят силу.
В связи с этим корпорацией «Трансстрой», Тоннельной ассоциацией России, ОАО «Метрогипротранс», ЦНИИСом с привлечением других компетентных организаций разработаны новые нормативные документы: СНиП 32-02-2003 «Метрополитены» и СП 32-105-2004 «Свод правил по проектированию и строительству метрополитенов». СНиП 32-02 утвержден постановлением Госстроя России от 27.06.2003 г. № 120 к принятию и введен в действие с 1 января 2004 г. Согласно новым принципам построения нормативных до
кументов, в СНиП отражены обязательные требования, определяющие цели, которые должны быть достигнуты, и принципы, которыми необходимо руководствоваться в процессе создания объектов. В своде правил устанавливаются рекомендуемые положения для развития и обеспечения обязательных требований СНиП.
Названные документы по метростроению впервые носят комплексный характер. В них отражаются требования по проектированию, а также по инженерным изысканиям, строительству, приемке устройств и сооружений в эксплуатацию. В главе «Инженерные изыскания» изложены требования не только по геологическим и геодезическим, но и по экологическим разделам. В главу «Проектирование» введены разделы, отсутствовавшие в предыдущих редакциях нормативных документов: «Сооружения городской инфраструктуры», «Гигиена и экология», «Пожарная безопасность», «Охрана окружающей природной среды», «Защита от шума, вибраций и блуждающих токов», «Организация строительства».
В главе «Строительство» излагаются требования по подготовке и инженерному обеспечению строительства; производству строительных работ открытым и закрытым способами, включая специальные методы работ в водонасыщенных грунтах с использованием водопонижения и укрепления грунтов; по применению механизированных комплексов, новоавстрийского метода тоннельного строительства, работ по монтажу пути и контактного рельса, эскалаторов, инженерного оборудования.
В главе «Приемка» отражены требования по видам, составу и обязанностям приемочных комиссий, стадиям и последовательности приемочных работ. Приводятся данные по допустимым отклонениям от проектных параметров при ведении строительных работ, перечисляются параметры, которые должны проверяться при приемке оборудования, даются образцы отчетных документов.
5.3. Проектирование организации строительства и производства работ
Проектирование организации строительства. ПОС является обязательной и неотъемлемой частью проекта любого сооружения. Это один из важнейших документов в области организации и планирования строительства, обеспечивающих своевременный ввод объек
тов в эксплуатацию с наименьшими затратами и высоким качеством [16; 18, ч. II; 91]. Кроме того, ПОС призван способствовать повышению организационно-технического уровня строительства на базе использования новейших достижений науки и техники. В ПОС разрабатывают рекомендации по выполнению работ с учетом местных условий и особенностей технических решений, принятых в проекте. В нем должны содержаться организационно-технологические схемы, определяющие рациональную последовательность выполнения работ, решения о размещении баз материально-технического снабжения, производственных предприятий, объектов энергетического обеспечения. В ПОС устанавливают мощности, оснащение и дислокацию привлекаемых строительных организаций, источники получения материально-технических ресурсов, транспортные схемы их доставки с расположением пунктов разгрузки, промежуточных складов и временных дорог. В ПОС определяют источники обеспечения строительства электроэнергией, водой, теплом, паром.
Проектирование организации строительства является основой распределения капитальных вложений и объемов СМР по срокам строительства, а также обоснования его сметной стоимости. В нем отражают вопросы опережающего развития производственной базы строительной организации.
ПОС разрабатывают с учетом необходимости соблюдения нормативных сроков продолжительности строительства, первоочередного выполнения работ подготовительного периода, максимального расширения фронта работ, обеспечения непрерывности и поточности строительных процессов, равномерного использования во времени ресурсов и производственных мощностей, внедрения комплексной механизации работ и широкого применения средств малой механизации, соблюдения правил производственной санитарии, производственной безопасности и охраны труда, обязательного выполнения мероприятий по охране окружающей природной среды, рекультивации земель, нарушенных при производстве СМР. ПОС должен учитывать природно-климатические, инженерно-геологические, гидрогеологические и другие местные особенности района строительства сооружений.
ПОС составляет генеральная проектная организация одновременно с разработкой других разделов рабочего проекта. Отдель
ные части ПОС метрополитена могут разрабатываться специализированными организациями по заданию генпроектировщика на договорных началах.
ПОС является обязательным документом для заказчика, подрядных организаций, а также организаций, осуществляющих финансирование и материально-техническое обеспечение строительства. Исходные данные для составления ПОС должны обеспечивать возможность разработки нескольких вариантов организации строительства с целью выбора наиболее оптимального из них на основе технико-экономической оценки.
ПОС должен разрабатываться на полный проектный объем строительства. В его состав включают: календарный план строительства; строительные генеральные планы подготовительного и основного периодов; организационно-технологические схемы; ведомости объемов основных СМР, потребности в строительных конструкциях, изделиях, материалах и оборудовании; графики потребности в основных строительных машинах и транспортных средствах, кадрах. Указанные документы снабжают пояснительной запиской.
Проектирование производства работ. ППР составляют на основе и в развитие ПОС на выполнение отдельных видов СМР основного и подготовительного периодов в соответствии с принятыми технологическими решениями и планом организационно-технических мероприятий метростроительной организации. ППР разрабатывают подрядные строительные организации за счет средств накладных расходов, с привлечением (в случае необходимости) специализированных организаций. Для сложных подземных сооружений ППР разрабатывают специализированные конструкторские бюро по договорам с генпроект-ной организацией за счет средств на проектные работы.
ППР имеет целью определение наиболее эффективных методов выполнения горнопроходческих работ, снижение себестоимости и трудоемкости, сокращение продолжительности строительства сооружения, повышение степени использования проходческих машин и оборудования, улучшение качества проходческих работ. Осуществление строительства без ППР не допускается.
По решению строительной организации в зависимости от сроков строительства объектов и от объемов работ ППР разрабатывают на строительство сооружения в целом или отдельных его частей; на
выполнение сложных CMP, горнопроходческих и специальных строительных работ, а также работ подготовительного периода, и передают на стройплощадку за 2 месяца до возведения тех частей сооружения или выполнения тех работ, на которые ППР составлен.
Исходными материалами для разработки ППР служат: задание на разработку, выдаваемое строительной организацией как заказчиком ППР, с обоснованием необходимости разработки его на сооружение в целом, его часть или вид работ и указанием сроков разработки; ПОС с необходимой рабочей документацией; условия поставки конструкций, изделий, материалов и оборудования; данные об использовании строительных машин и транспортных средств, обеспечении рабочими кадрами строителей по основным профессиям; производственно-технической комплектации и перевозке строительных грузов.
В состав ППР включают: календарный план производства работ по объекту или комплексный сетевой график; стройгенплан; графики поступления на объект строительных конструкций, изделий, материалов и оборудования; графики движения рабочих кадров и основных строительных машин по объекту; технологические карты (схемы) на выполнение отдельных видов работ; решения по производству геодезическо-маркшейдерских работ; решения по производственной безопасности и охране труда; мероприятия по выполнению работ поточным методом; при необходимости — мероприятия по выполнению работ вахтовым методом; решения по прокладке временных сетей водо-, тепло- и энергоснабжения, освещения стройплощадки и рабочих мест; перечни технологического инвентаря и оснастки, схем строповки грузов; пояснительную записку.
При составлении проекта возникает необходимость выбора варианта схемы производства работ. Например, при возведении трехсводчатой станции пилонного типа с обделкой из чугунных тюбингов в обводненных неустойчивых грунтах рекомендуется применять щитовой способ проходки. При расположении станции того же типа в более благоприятных гидрогеологических условиях, т.е. когда предусматривается применение железобетонных блоков, также целесообразен щитовой способ, а при проходке тоннелей такой же станции в крепких неводоносных грунтах вполне оправдано применение бес-щитовой проходки с помощью укладчиков. При этом одновременно с основной проходкой станционных тоннелей осуществляют работы
по установке элементов проемных рам с временным заполнением проемов нормальными и фасонными тюбингами.
Сооружение трехсводчатых станций колонного типа отличается особенностями монтажа колонно-прогонного комплекса из стали или железобетона (колонны с опорами, прогоны распорки и пр.). Возведение средней части таких станций требует сохранения грунтового ядра, что вызывает необходимость использования повышенного по сравнению с боковыми тоннелями уровня откатки (по верху ядра) и устройства переподъема для грунта и грузов, что обычно осуществляют в монтажной щитовой камере.
При сооружении односводчатой станции возможны несколько производственных решений в зависимости от геологических условий. В прочных трещиноватых грунтах, когда возможно опирание пят свода непосредственно на грунт, целесообразен горный способ работ с применением укладчика того или иного типа. В мягких грунтах, где возникает необходимость возведения опорных элементов и обратного свода, целесообразно применение полущита при обделке как из чугунных тюбингов, так и из железобетонных блоков. Для возведения опорных частей возможны, в свою очередь, два варианта ведения работ: в штольнях и в тоннеле малого диаметра, с применением бетононасосов в обоих случаях.
При возведении односводчатой станции в скальных грунтах иногда сооружают свод из монолитного бетона (без армирования). В таких случаях целесообразно применение анкеров как для временного крепления выработки, так и для подвески опалубки. В равной степени возможно применение арматурного каркаса, поддерживающего опалубку и используемого на первом этапе в качестве временной крепи. Подвесная опалубка может быть представлена в виде инвентарных элементов или железобетонных плит, оставляемых в конструкции свода. Последней конструкции может быть придан любой архитектурный вид.
Разработанные варианты организации производства работ по сооружению станции сравнивают по следующим показателям: объемы работ (подготовительных и основных); степень механизации процессов; денежные затраты на 1 м и на всю длину станции (одинаковые элементы, входящие во все варианты, могут исключаться); сроки строительства; потребность в рабочей силе и др. Результаты
сравнения рекомендуется представлять в табличной форме. К дальнейшей разработке принимают вариант, который обеспечивает наилучшие показатели. При этом следует иметь в виду, что денежные затраты не всегда являются решающими. Необходимо учитывать технико-экономические показатели в более широком смысле.
Изложенное рассмотрим на конкретном примере строительства станции пилонного типа в скальных грунтах с помощью укладчика.
К рассмотрению приняты две схемы производства работ. Первая схема предусматривает использование наклонного эскалаторного тоннеля для выдачи разработанного грунта и подачи материалов (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Схема организации строительства станции с использованием эскалаторного тоннеля:
1 тюбингоукладчик; 2 тупиковые пути; 3 обделка из чугунных тюбингов; 4 тележка для нагнетания; 5 тележка для тюбингов; 6 скип; 7 ось на клонного хода; 8 тюбинг; 9 передовая штольня; 10 поворотный круг; 11 переподьемник; 12 скребковый транспортер; 13 бункер; 14 порожняк; 15 груженый состав; 16 ось среднего станционного пути; 17 опрокидывающее устройство; 18 конец среднего тоннеля; 19 лебедка; 20 вагонетка с породой;
21 натяжная камера; 22 таранты; 23 груженая вагонетка; 24 трос
После сооружения наклонного хода, примыкающего к торцу среднего станционного тоннеля, начинают проходку последнего и опережающих штолен по осям боковых тоннелей. Затем сооружают короткие (на длину укладчика) участки боковых тоннелей со сборкой их обделки при помощи лебедок.
После монтажа укладчика ведут основную проходку боковых тоннелей с опережением одного из них на 25 30 м. Разработку грунта осуществляют буровзрывным способом, откатку вагонетками. В среднем тоннеле устраивают бункер с опрокидывающим устройством над ним, где производят разгрузку вагонеток. Далее при помощи скребкового транспортера грунт выдают на поверхность в бункер эстакады. Подачу элементов обделки осуществляют также по наклонному тоннелю в специальных тю-бинговозках при помощи лебедок, по путям, уложенным на гарантах. Для перемещения тюбинговозки непосредственно на уровень путей штольни применяют переподъемник, который доставляет тюбинговозку на поворотный круг, откуда ее перемещают к забою бокового тоннеля.
Достоинством данного варианта является возможность рационального использования наклонного хода как для строительства, так и для эксплуатации станции. К недостаткам следует отнести наличие опережающих штолен и перепогрузочного узла, увеличивающих стоимость работ.
Вторая схема предусматривает ведение работ через шахтный ствол и околоствольные выработки (рис. 5.2).
От ствола проходят транспортную штольню, пересекающую боковые тоннели в начале станции. Сооружение станции начинают с проходки бокового тоннеля. В пределах небольшого участка на длину укладчика вначале возводят тоннельную обделку при помощи лебедок. После этого монтируют укладчик и ведут основную проходку. С некоторым отставанием (25 30 м) осуществляют монтаж укладчика во втором тоннеле и его последующую проходку.
Грунт разрабатывают буровзрывным способом с механизированной погрузкой в вагонетки. Откатку производят электровозом к стволу шахты с дальнейшей выдачей на поверхность. Подачу элементов обделки осуществляют при помощи тюбинговозок на пониженном уровне.
После сооружения первого бокового тоннеля монтируют укладчик в среднем тоннеле и начинают его проходку. Грунт через частично раскрываемые проемы выдают в боковые тоннели и далее к стволу шахты.
Достоинством данного варианта является относительная простота и надежность работ. К недостаткам следует отнести дополнительные затраты на сооружение ствола и подходных штолен, а также увеличенный срок строительства.
Для экономического сопоставления вариантов производства работ следует выполнить сметные расчеты.
a
б
Рис. 5.2 . Схема организации строительства станции через шахтный ствол:
а — проходка боковых тоннелей; б — проходка среднего тоннеля; I — погрузочная машина; 2 — тележка для нагнетания; 3 — пути; 4 — тюбингоукладчик; 5 — ось среднего станционного тоннеля; 6 — то же бокового; 7 — ствол и рудничный двор; 8 — штольня; 9 — тюбинги на тюбинговозках
5.4. Календарное планирование
К календарным планам строительства относят документы по планированию, охватывающие весь комплекс СМР на объекте. Этот документ является основой для определения сроков работ, объемов финансирования, планирования и использования производственных ресурсов, материально-технического обеспечения и должен служить организующим на всех этапах строительства. Структура, состав и степень детализации календарного плана зависят от назначения проектной документации, в состав которой он входит, и определяются периодом работ, для которого предназначен. Например, в календарном плане строительства, входящем в состав ПОС, таким периодом является год, квартал и месяц; в календарном плане производства работ по объекту (виду работ) в составе ППР — месяц, декада, неделя и сутки; в графике выполнения работ в составе технологической карты — сутки, смена и час, а в транспортно-монтажных графиках — час и минута.
Существование разрыва на двух стадиях календарного планирования (в периоды постановки задач и их реализации) определяет различие требований к составу и содержанию ПОС и ППР.
В ПОС включают календарный график на строительство и, на его основе, сводный календарный план распределения капитальных вложений по годам строительства и по исполнителям. ППР ограничивают конкретным производством работ в пределах строительства одного сооружения с учетом реально сложившейся производственной обстановки.
График строительства в разделе ПОС на первый год должен разрабатываться подробно, с месячной разбивкой, расчетом потребности вплоть до каждой конструкции.
При составлении строительных графиков важно учитывать сезонный характер тех или иных работ. В осенне-зимний период упор следует делать на свайные и земляные работы, проходку подземных выработок; в весенне-летнее время — планировать бетонные процессы, оклеечную изоляцию, отделку и облицовку и т.п. Это позволяет снизить фактические расходы и повысить качество работ, особенно при возведении сложных объектов. Тем самым создаются необходимые предпосылки для повышения производительности труда, сокра
щения сроков строительства. Для грамотной разработки ППР имеются комплекты типовых технологических карт по всем отраслям транспортного строительства, в том числе по метро- и тоннелестроению. К технологическим картам прилагается необходимая документация на оснастку, оборудование и приспособления.
Календарные планы ПОС. Документацию, входящую в ПОС, в прошлом, как правило, составляли вручную, что отнимало много времени и не гарантировало выбор оптимального варианта. В настоящее время осуществляется переход на автоматизированные системы проектирования. Это требует создания информационной базы (базы данных) в виде формализованных структур, которые позволяют обеспечить доступность для многих пользователей и исключение дублирования. Пример структуры базы данных подсистемы ПОС автоматизированного проектирования показан на рис. 5.3.
База данных состоит из сегментов, содержащих информацию об объектах строительства (1-й уровень), способах их сооружения (2-й уровень) и требуемых для этого материалах и оборудования (3-й уровень). Связь между сегментами осуществляется при помощи И-сегментов, содержащих информацию о параметрах этой связи. Каждый сегмент состоит из строки, содержащей ключ, идентифицирующий строку, и полей, содержащих текстовую или цифровую информацию.
Рис. 5.3. Структура базы данных подсистемы ПОС
Например, при разработке ПОС ст. «Тимирязевская» Московского метрополитена было разработано 8 вариантов календарного графика. Его оптимизацию проводили на основе вычисленных значений минимизируемых функций (табл. 5.2).
Таблица 5.2
Значения минимизируемой функции для различных вариантов графика
Вариан ты опти мально го кален дарного графика по ресурсу Значения минимизируемой функции для ресурсов
1 й ресурс: разра ботка грунта, тыс. м3 2 й ресурс: обрат пая засыпка и забу товка, тыс. м3 3 й ре сурс: монтаж сборного железобе тона, тыс. м3 4 й ресурс: укладка моно литного железо бетона, тыс. м3 5 йре сурс: укладка моно литного бетона, тыс. м3 6 й ресурс: уста новка чугун ных тюбин гов, тыс. т 7 й ресурс: уста новка стально го про ката, тыс. т 8 й ресурс: расход рабочей силы, чел.
1 7,05 1,6 3,84 0,4 0,87 0,039 36
2 7,05 1,6 3,84 0,4 0,87 0,039 36
3 7,05 1,22 3,72 0,34 0,87 0,039 47
4 4,82 1,6 3,72 0,34 0,87 0,039 43
5 7,05 1,6 3,72 0,34 0,87 0,039 42
6 7,82 1,6 3,95 0,4 0,87 0,039 42
7 7,82 1,6 3,83 0,38 0,87 0,039 36
8 7,82 1,6 3,76 0,34 0,87 0,039 34
На основе анализа результатов расчета к дальнейшему рассмотрению принят первый вариант графика, поскольку в нем колебания таких ресурсов, как разработка грунта, укладка сборного железобетона, чугунных тюбингов минимальны, а остальных не намного больше минимальных. Для этого варианта составлена таблица параметров (табл. 5.3).
Информация об объемах материалов и основных работ основывается на конструкторских разработках; объемы подготовительных работ определяются расположением стройплощадки и необходимостью переноса городских сетей и коммуникаций. Исходная информация для ст. «Тимирязевская» приведена в табл. 5.4.
При вводе в ЭВМ информации об объекте производятся ее сопоставление с содержанием сегмента «Тип объекта» базы данных и автоматизированный выбор строки в сегменте, соответствующей вводимой информации. Аналогичные процедуры проводятся с информацией о подготовительных и других работах.
Таблица 5.3
Расчетные параметры календарного графика строительства ст. «Тимирязевская»
Код Строительные процессы Время начала, мес. Время окон чания, мес.
1 Подготовительные работы 4 10
2 Сооружение шахтного ствола 5 11
3 Сооружение околоствольного двора 11 16
4 Сооружение склада ВМ 16 18
5 Сооружение подходной штольни 16 18
6 Сооружение дополнительной штольни 17 21
7 Сооружение 1 й монтажной камеры 18 19
8 Сооружение 2 й монтажной камеры 19 20
9 Монтаж укладчика обделки 19 20
10 Проходка опоры тоннеля (левого) 20 24
И Демонтаж укладчика 24 25
12 Бетонирование опоры (левой) 25 29
9 Монтаж укладчика 20 21
10 Проходка опоры тоннеля (правого) 21 25
И Демонтаж укладчика 25 26
12 Бетонирование опоры (правой) 26 30
9 Монтаж укладчика 28 30
13 Сооружение сводовой части 30 52
14 Разработка грунтового ядра 30 52
15 Проходка и монтаж обратного свода 52 67
16 Чеканка обратного свода 53 68
17 Монтаж внутритоннельных конст рукций 54 69
18 Отделка станции 57 71
Исходная информация об объемах
Таблица 5.4
Название объекта Единица измере НИЯ Способ сооруже НИЯ Спец СПО собы Тип кон струкции обделки Заложе ние Грун ТЫ
Станция односвод чатая 1 м дли ны Горный с укладчи ком Ж. б. сборная Глубокое IV труп па
Каждая строка сегмента «Тип объекта» в базе данных связана И-сегментами со строками сегментов «Виды работ» и «Обслуживающие процессы», причем каждая работа или обслуживающий процесс, используемые на объекте, соединены отдельным И сегментом. Таким образом производится извлечение из базы данных списка работ и обслуживающих процессов, относящихся к данному объекту, с соответствующими параметрами, такими как сметная стоимость работы, нормативная и максимальная производительности и пр.
Аналогично при помощи И-сегментов, связывающих сегменты 2-го уровня с сегментами 3-го уровня, извлекается информация о необходимых материалах, оборудовании и машинах с указанием объемов, стоимостей, производительностей и других параметров. Кроме того, в базе данных содержится нормативно-справочная информация, необходимая для расчета четырех форм ПОС: календарного плана строительства, содержащего распределение капитальных вложений и объемов СМР по годам строительства; ведомости объемов основных строительных, монтажных и специальных работ; ведомости потребности в строительных конструкциях, изделиях, материалах и постоянном оборудовании; ведомости обслуживающих процессов.
При помощи специального пакета прикладных программ (ППП) производятся выбор и построение оптимального варианта календарного графика. Критерием оптимальности является равномерность использования ресурсов. Этот критерий аналитически выражается формулой
п
W(t, t0, t02... ton) = max I (Sk (t, - S/T) | -> min, (5.1)
k=l
где S^. (t, необходимость в данном ресурсе в каждый месяц t на объекте
к при условии начала строительства на нем во время t^; S полная потребность данного ресурса на объекте; Т срок строительства объекта, мес.; п число объектов на линии строительства.
Для каждого календарного графика выделяют значения минимизируемых функций по всем ресурсам. Выбор варианта оставлен проектировщикам.
Оптимальный календарный график, а также рассчитанные на его основе четыре формы ПОС, построенные на графопостроителе, представляют собой готовую проектную документацию. База данных не является неизменяемым набором информации и может дополняться при разработке новых типов объектов, способов строительства, материалов и оборудования.
Календарные планы ППР. По выбранному к проектированию варианту разрабатывают и составляют календарный план производства работ. В календарном ППР устанавливают: последовательность и сроки выполнения работ с максимально возможным их совмещением, нормативное время работы строительных машин, потребность в трудовых ресурсах и средствах механизации; выделяют этапы и комплексы работ, поручаемые бригадам, и определяют их количественный, профессиональный и квалификационный состав. При разработке курсовых и дипломных проектов по тоннельной тематике календарный план производства работ целесообразно представлять в форме, приведенной в табл. 5.5 (вклейка), что не противоречит требованиям СНиП 3.01.01-85* [79].
В табл. 5.5 принято: tc — продолжительность рабочего времени в смену (6 ч и 7,2 ч при продолжительности смен 6 ч и 8 ч соответственно). График работ, особенно для станций метрополитена, желательно представлять в сетевой форме. Для линейных объектов (перегонные и эскалаторные тоннели, шахтные стволы и т. д.) составляют линейные графики (см. табл. 5.5, столбец 16).
На основе сетевых графиков разрабатывают системы сетевого планирования и управления (СПУ), которые охватывают все процессы строительства сооружения, начиная от проектирования и до сдачи в эксплуатацию. Система СПУ в сочетании с диспетчеризацией и ЭВМ является составной частью автоматизированной системы управления строительством (АСУС), при которой контроль выполнения графика ведется из единого центра, куда поступает информация со строительных площадок.
Основой для составления календарного плана ППР являются производственные нормы (ЕНиРы, ВНиРы) и циклограммы работ, носящих повторяющийся характер. В каждый цикл включают обычно все виды работ, обеспечивающих создание законченного участка сооружения (1 м длины тоннеля, заходка, типовой участок и т.д.).
Продолжительность цикла определяет темп строительства (скорость проходки). Работы, включаемые в циклограмму, увязывают исходя из технологической последовательности и возможности совмещения; продолжительность выполнения каждой технологической операции устанавливают в соответствии с нормами времени.
В графиках поступления на объект строительных конструкций, материалов и оборудования указывают данные о поступлении этих ресурсов по месяцам, неделям и дням по каждой бригаде с приложением комплектовочных ведомостей (при наличии службы производственно-технологической комплектации (ПТК) — унифицированной документации по технологической комплектации), а в случаях строительства комплектно-блочным методом составляют графики комплектной поставки блоков.
В графиках движения рабочих кадров и основных машин соответственно приводят данные о среднесуточной численности рабочих и машин по каждому дню, неделе и месяцу.
График работы основных машин следует разрабатывать, исходя из своевременного выполнения бригадой работ. Потребность в машинах на земляные работы определяют из условия выполнения работ преимущественно комплексными механизированными подрядными бригадами.
ППР рассматривается техническим (технико-экономическим) советом генподрядной строительной организации и утверждается главным инженером, а разделы проекта по специальным строительным работам — главными инженерами соответствующих субподрядных организаций по согласованию с генподрядной организацией. Утвержденный ППР должен быть передан производителю работ до начала работ по объекту. Ответственность за внедрение ППР несут главный инженер и линейный персонал строительной организации.
5.5. Проектирование стройгенплана
Строительный генеральный план (стройгенплан, СГП) объекта является одним из важнейших документов ПОС и ППР. Качество его разработки во многом определяет основные ТЭП строительства, включая себестоимость СМР, качество выполнения работ, сроки строительства и т.д. Значение СГП обусловлено неоднозначностью
возможных инженерно-технических решений по организации строительного хозяйства на стройплощадке, т.е. возможной многовариантностью решений [18; 93, гл. 26, 27; 120, гл. 3].
Работы по строительству сооружений метрополитена в зависимости от сложности строящихся объектов следует вести с базисных или участковых строительных площадок.
На базисной строительной площадке, являющейся строительной площадкой линии метрополитена, станционного комплекса или специализированного подразделения, размещают все временные здания и сооружения, необходимые для обеспечения нормальных условий производства строительных и горнопроходческих работ.
Участковые строительные площадки размещают у порталов перегонных или эскалаторных тоннелей, устьев шахтных стволов на территории, допускающей безопасный подъезд транспорта и удобной для расположения портального или надшахтного хозяйства. На СГП такой площадки в масштабе 1:500 должны быть представлены: трасса подземного сооружения, порталы и примыкающие к ним устройства, подходные и вспомогательные выработки, транспортная сеть и инженерные коммуникации, производственные и административные помещения и др.
Под строительную площадку выбирают участок, освоение которого требует наименьших затрат рабочего времени и средств. Размеры площадки зависят от назначения строящегося сооружения, его длины, объемов, способов ведения горнопроходческих работ и СМР и колеблются в пределах от 500 до 5000 м2.
Разработать универсальные правила проектирования строительных площадок на все случаи невозможно. Однако следует придерживаться некоторых рекомендаций, сводящихся к следующему. На территории стройплощадки следует размещать только те временные здания, сооружения и сети, которые непосредственно связаны со строительством объекта. Все они должны быть размещены удобно для обслуживания строительства с учетом максимально возможного сохранения действующих строений, зеленых насаждений, обеспечения нормальных условий производства строительных работ и жизни населения в прилегающих к строительной площадке районах, сохранения работы городского хозяйства, соблюдения противопожарных и санитарных требований. При этом расстояние транс
портирования грунта, материалов и других грузов должно быть минимальным, а производственные предприятия и вспомогательные хозяйства (механические и ремонтные мастерские, центральные склады и прочие объекты производственной базы) располагают вне строительной площадки с тем, чтобы они могли одновременно обслуживать другие близко расположенные объекты строительной организации.
В общем случае в состав подготовительных работ по освоению строительной площадки входят: изменение схем движения наземного городского транспорта; устройство ограждений; снос зданий и сооружений; пересадка зеленых насаждений; устройство подъездных путей; возведение горного комплекса, временных зданий и сооружений; обеспечение строительства электроэнергией, водой, сжатым воздухом; перекладка и подвеска городских подземных и наземных коммуникаций; оборудование мест складирования элементов конструкций и материалов и т.п.
Вдоль линий метрополитена мелкого заложения предусматривают: техническую зону шириной 40 м, в которой до окончания строительства метрополитена не допускаются возведение капитальных зданий, сооружений и посадка деревьев, а размещение подземных инженерных сетей возможно лишь по согласованию с организацией, проектирующей метрополитен; мероприятия по снижению шума и вибрации в соответствии с требованиями санитарных норм.
На СГП базовой строительной площадки (рис. 5.4) указывают: границы строительной площадки и виды ее ограждения; действующие (в том числе временные) подземные, наземные и воздушные сети и коммуникации; постоянные и временные дороги, схемы движения средств транспорта и механизмов; места установки строительных и грузоподъемных машин с путями их перемещения и зонами действия; постоянные и временные здания и сооружения; опасные зоны, пути и средства спуска и подъема людей на рабочие ярусы; проходы и подъезды к зданиям и сооружениям; размещение источников и средств энергоснабжения, освещения строительной площадки и мест производства работ, заземляющих контуров, мест расположения противопожарного инвентаря, площадок и помещений складирования материалов и конструкций; расположение помещений санитарно-бытового обслуживания строителей, питьевых ус-
0Б+50
Рис. 5.4. Пример оформления сводного стройгенплана строительной площадки:
1 — ствол шахты; 2 — бункерная эстакада; 3 — тельферная эстакада в 8 секций; 4 — соединительный мостик между копром и бункером; 5 — переходный мостик между копром тельферной эстакады и тупиковым мостиком; 6 — тупиковый мостик; 7 — вспомогательный подъемник; 8 — эстакада для разгрузки бетона; 9 — склад цемента; 10 — склад песка; 11 — КТП; 12 — механический цех; 13 — арматурный цех; 14 — помещение сторожевой и пожарной охраны; 75 — маркшейдерская; 16 — контора участка, душкомбинат; 17—инструментальная; 18 — столярная; 19—санузел; 20—склад ГСМ; 21 — площадка для складирования длинномеров;
22 — машинное здание (подъемная машина 2БЛ-2000/830); 23 — трансформаторная подстанция
тановок и мест отдыха; строительную геодезическую сетку или разбивочный базис; условную границу, отделяющую территорию, предназначенную под застройку; геодезические реперы и другие знаки; «розу ветров» (в верхнем углу листа).
На СГП должны быть также четко показаны соответствующими условными знаками и надписями въезды и выезды транспорта, направления движения, места разъездов и стоянок при разгрузке, а также места установки знаков, обеспечивающих безопасность движения.
При составлении СГП необходимо предусматривать внеплоща-дочные и внутриплощадочные устройства и мероприятия по защите площадки и котлованов станций от поверхностных (ливневых и паводковых) вод. Внутриплощадочные устройства включают в себя систему водоотводных канав: общеплощадочных, для защиты путей козлового крана, канав на дне котлована с водоприемниками. Разрабатываемые котлованы защищают от поверхностных вод, поступающих с территории стройплощадки, устройством бетонных бортиков или обваловкой вдоль верхней бровки котлована.
Размещение монтажных кранов и экскаваторов на строительной площадке необходимо производить с учетом безопасности ведения работ выбранными механизмами. В процессе привязки выявляют факторы влияния устанавливаемого крана или экскаватора на работу механизмов, расположенных на смежных участках, а также на другие элементы строительного хозяйства [14, ч. II, п. 3, 6].
При устройстве подкранового пути у неукрепленного котлована глубиной Нк наименьшее расстояние /к по горизонтали от основания откоса (края дна котлована) до оси рельса согласно СНиП 3.08.01-85 должно соответствовать размерам (рис. 5.5, а): для песчаных и супесчаных грунтов /к > 1,57/к + 0,4 + /р; для глинистых и суглинистых грунтов /к > Нк + 0,4 + /р; где /р — расстояние от края балластной призмы до оси рельса, / = 1,03 м.
Установку самоходных кранов и экскаваторов вблизи котлованов производят, исходя из тех же соображений, с учетом требований СНиП 12-04-2002 [84]. При работе без аутригеров (выносных опор) это расстояние принимают до ближайшей оси колеса, а при работе с аутригерами — до оси опор. При котлованах с креплением указанное расстояние следует принимать равным 1 м для любых грунтов.
I. Путь для рельсовых копров
II. Путь для козловых кранов
а у котлована с откосами б у котлована с креплением
ж с ограждением балластной призмы
з с ограждением насыпи
Рис. 5.5. Поперечные профили подкранового рельсового пути:
7 рельс; 2 опорный элемент (полушпала или железобетонная балка); 3 балластная призма
Расчет обеспечивает расположение строительных машин за пределами призмы обрушения. На его основании обозначают на плане строительной площадки ось движения крана, экскаватора или подкрановых путей.
Длину подкрановых путей определяют из условия:
L >L + 4 <6,25 и, (5.2)
1111 К z v z
где LK длина котлована, м; 4 суммарная длина тормозного пути (LTop -= 1,5 х 2 = 3,0 м) и расстояния до тупиков (Гтуп = 0,5 х 2 = 1,0 м); п число полузвеньев.
Полученную длину подкрановых путей корректируют в сторону увеличения с учетом кратности длины полузвена, т.е. 6,25 м.
Система высотных отметок, принимаемых в рабочих чертежах СГП, должна соответствовать системе отметок, принятой на топографическом плане. Размеры, координаты и высотные отметки указывают в метрах с точностью до двух знаков после запятой, за исключением отметок реперов, указываемых с точностью до трех знаков после запятой. Величину углов указывают с точностью до минуты, а при необходимости —до секунды. Величины уклонов указывают в промилях (%о) без обозначения единицы измерения. Крутизну откосов указывают в виде отношения, например 1:1,5; 1:2 и т.д.
На плане стройплощадки приводят экспликацию зданий и сооружений по форме, приведенной в табл. 5.6.
Контуры проектируемых зданий и сооружений на СГП наносят, принимая координационные оси зданий и сооружений совмещенными с внутренними гранями стен. Строительная геодезическая сетка должна перекрывать весь рабочий план в виде квадратов со сторонами 10 см. Начало координат принимают в нижнем левом углу листа. Оси строительной геодезической сетки обозначают арабскими цифрами, соответствующими числу сотен метров от начала ко-
Таблица 5.6
Экспликация зданий и сооружений
Номер по генплану Наиме нова ние Шифр типового проекта Коор динаты Площадь, м Строитель ный объем, м3
застрой ки рабо чая
1 2 3 4 5 6 7
ординат, и прописными буквами русского алфавита. Например: ОА и ОБ — начало координат; 1А, 2А, ЗА — горизонтальные оси; 1Б, 2Б, ЗБ — вертикальные оси. Для чертежей, выполняемых в масштабе 1:500, следует вводить промежуточные оси строительной геодезической сетки через 50 м. Например: ОА и ОБ — начало координат; 0А+50, 1А, 1А+50, 2А, 2А+50; 0Б+50, 1Б, 1Б+50, 2Б, 2Б+50 и т.д.
При необходимости допускается применение отрицательных значений осей строительной геодезической сетки. Например, ОА (начало координат); -1 А, -1А-50, -2А, -2А-50; ОБ (начало координат); 0Б-50, -2Б, -2Б-50 и т.д.
Машины, механизмы и устройства показывают в соответствии с принятыми условными обозначениями с указанием марки. Инженерные сети, дороги и устройства наносят на СГП соответствующими условными обозначениями, при необходимости — с указанием диаметров трубопроводов и сечений проводов и их привязок в плане к другим объектам СГП. Для наглядности изображения сети коммуникаций могут быть нанесены разными цветами при соблюдении принятых условных обозначений, которые обязательно расшифровывают на СГП.
Кроме того, следует указывать места расположения пожарных постов и места, где разрешается работа с открытым огнем. При изображении на СГП основных строительных машин (экскаваторов, кранов, подъемников) показывают их привязку в плане к строящимся объектам, места электрозаземления, зоны монтажа и опасные зоны, ограниченные соответствующими линиями, штриховкой и т.п. Мобильные стреловые краны показывают с указанием направления их движения, а также направления движения транспортных средств, осуществляющих перевозку крупногабаритных конструкций при их монтаже с транспортных средств.
Ограждение стройплощадки выполняют с заборными элементами (защитным козырьком, тротуаром, перилами, подкосами) или без них. В качестве ограждения без заборных элементов применяют железобетонные панели, панели-стойки и стойки. Панели ограждений могут быть сплошными и разреженными. Защитно-охранные ограждения должны быть только сплошными. Для открытых участков метрополитена допускается применять ограды из стальной сетки или решетчатые железобетонные, высотой не менее 1,6 м.
5.6. Проблемы финансирования строительства метрополитенов
В 1991 г. Постановлением Верховного Совета Российской Федерации «О разграничении государственной собственности в Российской Федерации...» метрополитены из государственной собственности были переданы в муниципальную. Соответственно, финансирование их развития также предусмотрено осуществлять за счет средств субъектов Российской Федерации и муниципальных образований, в которых ведется строительство метрополитенов.
Учитывая социальную значимость метрополитенов в жизнеобеспечении крупных городов, а также то, что метрополитены являются сложнейшими инженерными сооружениями, правительство Российской Федерации приняло в 1996 и в 2000 гг. распоряжения, в которых определило уровень федеральной поддержки строительства метрополитенов в стране.
Во исполнение указанных распоряжений в Госстрое России в 1996 г. создана Комиссия по рассмотрению и определению технологически обоснованной потребности в средствах на строительство метрополитенов, в состав которой входят представители всех заинтересованных организаций.
Основополагающими принципами работы Комиссии являются поиск и определение совместно с субъектами Российской Федерации мер по концентрации финансовых ресурсов для обеспечения ввода в действие объектов и сооружений метрополитенов, технологической безопасности подземных выработок, сохранности выполненных конструкций и объектов метрополитенов, а также зданий и сооружений городской инфраструктуры, предотвращения аварийных ситуаций и техногенной опасности, связанных с производством работ.
В марте 2003 г. состоялось заседание этой Комиссии, на котором были рассмотрены предложения 11 субъектов Российской Федерации, ведущих строительство метрополитенов, о технологически обоснованной потребности в средствах на строительство метрополитенов на 2004 г. Из защищенных средств было направлено: 16 % на введенные в эксплуатацию в 2004 г. пусковые комплексы (6,53 км) в Москве, Санкт-Петербурге, Новосибирске, Самаре и Омске; 51,5 % — на вводимые в эксп
луатацию в 2005 г. пусковые комплексы в Москве, Казани, Нижнем Новгороде; 30,2 % — на продолжение строительства вводимых в эксплуатацию пусковых комплексов 2006—2007 гг. и ликвидацию предаварийного состояния выработок, находящихся в незавершенном строительстве.
Одновременно Комиссия предложила субъектам Российской Федерации, в которых осуществляется строительство метрополитенов, направлять выделяемые на строительство метрополитенов средства федерального бюджета, бюджетов субъектов Российской Федерации и муниципальных образований в первоочередном порядке на вводимые в эксплуатацию пусковые объекты и поддержание подземных выработок в безаварийном состоянии, а также продолжить работу по изысканию дополнительных источников финансирования развития метрополитенов.
Из общей суммы финансирования 78,8 млрд руб. (20 %) планировалось выделить из федерального бюджета, остальные 80 % — из бюджетов субъектов Российской Федерации. Строительство других видов скоростного внеуличного транспорта предусмотрено осуществлять полностью за счет средств субъектов страны.
Метрополитены в настоящее время стали главным видом массового пассажирского транспорта — ежегодно они перевозят свыше 4,2 млрд чел., что более чем в 2 раза превышает пассажиропоток всей сети железных дорог России. Вместе с тем из-за жестких финансовых ограничений в метростроении на сегодняшний день произошло 4-кратное сокращение СМР, а объемы незавершенного строительства достигли 68,3 млрд руб. На август 2003 г. во всех строящихся метрополитенах было открыто 103 забоя, протяженность недостроенных выработок составляла 68,5 км, в производстве строительных работ находились 28 станционных комплексов. Особенно тяжелое положение в этом отношении сложилось в Москве и Санкт-Петербурге.
Распоряжением правительства РФ в 2001 г. выделение федеральных средств по метростроительной отрасли с 2001 г. было снижено до 20 %, в то время как за рубежом финансирование строительства метрополитенов осуществляется за счет доли государства, в Италии, Австрии и Германии оно составляет соответственно 70, 50 и 45 %, в США — до 75 %, а в Бельгии и Нидерландах — 100 % .
Как показывает отечественная и зарубежная практика, развитие метрополитенов без стабильной государственной поддержки невозможно.
После ликвидации в МПС Главного Управления метрополитенов (май 1992 г.) вместо единого государственного Заказчика было образовано 11 структур при правительствах и администрациях городов, в которых осуществляется строительство. По мнению специалистов Госстроя РФ, такое положение в отрасли не могло сохраняться в дальнейшем, и в целях усиления государственного надзора за целевым и эффективным использованием средств, выделяемых на метростроение, следовало бы передать ему (Госстрою России) функции главного распорядителя средств федерального бюджета. В связи с этим Коллегией Госстроя России было принято решение: поручить Госстрою России доработать Программу развития метрополитенов и других видов скоростного внеуличного транспорта в Российской Федерации до 2015 г. с приданием ей статуса Федеральной целевой программы, с возложением функций государственного Заказчика Госстрою России; принять постановление об осуществлении, начиная с 2004 г., финансирования развития и строительства метрополитенов за счет средств федерального бюджета и соответствующих бюджетов субъектов страны в равных долях — по 50 % от ежегодной потребности, определенной комиссией Госстроя; о возложении на Госстрой России функций главного распорядителя средств федерального бюджета, выделяемых на развитие метрополитенов в городах Российской Федерации, в которых осуществляется строительство метрополитенов.
Также было рекомендовано органам исполнительной власти субъектов Российской Федерации, в которых осуществляется строительство метрополитенов, направлять выделяемые на строительство метрополитенов средства федерального бюджета и бюджетов субъектов Российской Федерации в первоочередном порядке на пусковые объекты метрополитенов и поддержание строительства остальных в безаварийном состоянии.
Современный опыт освоения подземного пространства с учетом глобализации экономики характеризуется применением эффективной схемы инвестирования строительства «строй — владей — эксплуатируй — передай» (build — own — operate — transfer — BOOT) за счет источников внебюджетного финансирования.
В соответствии с коммерческой схемой BOOT концессионер получает от принципала концессию на осуществление строительства, финансирования, эксплуатации и текущего содержания данного подземного сооружения в течение концессионного периода, по истечении которого объект безвозмездно передается во владение принципала. В течение концессионного периода концессионер пользуется доходами от коммерческой эксплуатации сооружения для покрытия расходов по его текущему содержанию и возврата кредитов, получая излишек в виде чистой прибыли.
Строительство подземных сооружений, в том числе тоннелей и метрополитенов, с применением коммерческой схемы BOOT практически целесообразно при наличии ряда благоприятных условий. В мире накоплен большой опыт реализации схем инвестирования, позволяющий разделить ответственность в отношении риска и осуществлять контракты по схеме BOOT.
Недавними примерами крупных тоннельных сооружений, финансируемых по схеме BOOT, могут служить железнодорожный тоннель под проливом Ла-Манш, строительство нового радиуса Юбилейной линии Лондонского метрополитена, строительство новых линий Мадридского метрополитена, строительство Лиссабонского метрополитена, строительство высокоскоростной железнодорожной магистрали от Стокгольма до аэропорта Арланда и др.
В итоге реализации схемы BOOT были достигнуты значительные результаты, свидетельствующие о прорыве в освоении подземного пространства на коммерческой основе с использованием внебюджетных источников финансирования. Для строительства тоннелей и подземных сооружений по схеме BOOT в России необходимо изменить существующий инвестиционный климат в стране, для чего следует утвердить новый закон о разрешении строить подземные объекты в России по схеме BOOT и принять постановление правительства о внесении соответствующих изменений в банковскую систему.
Контрольные вопросы к главе 5
1. Какие виды работ выполняют на предпроектном этапе?
2. Каковы наиболее общие правила исчисления объемов работ при проектировании объектов?
3. Как осуществляют сравнение вариантов и выбор наиболее оптимального?
4. Назовите основных участников проектирования и строительства метрополитена и определите их роль в процессе трудовой деятельности.
5. Какие типы рисков следует учитывать при проектировании и строительстве метрополитенов?
6. Какие нормативные документы в строительстве действуют на территории Российской Федерации?
7. По каким параметрам устанавливаются нормы продолжительности строительства линий метрополитена?
8. Что положено в основу новой сметно-нормативной базы?
9. Перечислите основные направления развития нормативной базы проектирования и строительства метрополитенов.
10. Что устанавливает Закон РФ «О техническом регулировании», введенный в действие с 1 июля 2003 г.?
11. Как составляются и что включают в себя календарные планы?
12. В чем заключается многовариантность решений при проектировании стройгенплана объекта?
13. Как осуществляется финансирование строительства метрополитенов в нашей стране и за рубежом?
14. В чем заключается сущность инвестирования строительства по схеме BOOT?
Глава 6. ОРГАНИЗАЦИЯ ТРУДА В МЕТРОСТРОЕНИИ
6.7. Основные направления развития и совершенствования организации труда в подземном строительстве
Общие сведения об организации труда. Организация труда в метростроении в значительной степени зависит от уровня организации строительного производства, тесно связана с ним и является его производной [7, 17]. К метростроению в полной мере применимы общие критерии эффективности производства: повышение производительности труда, улучшение использования основных производственных фондов и оборотных средств, устранение всякого рода потерь и непроизводительных затрат, обеспечение режима экономии ресурсов и рентабельность работы строительной организации.
Условием эффективной организации труда является тщательный и всесторонний учет всех особенностей работы, материально-технических и социально-психологических аспектов. Она не может быть достигнута стихийно и возможна только на основе научных методов анализа, классификации, отбора, технико-экономической оценки всех факторов трудового процесса.
Разделение и кооперирование труда. Под разделением и кооперированием труда в строительстве понимают специализацию рабочих и установление взаимосвязи между ними в процессе работы. Различают следующие формы разделения труда: функциональное, технологическое, квалификационное, пооперационное.
Функциональное разделение труда зависит от его роли в производственном процессе. Оно позволяет определить необходимую численность основных и вспомогательных рабочих. Технологическое разделение производится по видам работ в соответствии с классификацией операций. Квалификационное разделение труда — это разделение в соответствии с квалификационными характеристиками, позволяющее определить необходимую численность рабочих каждой профессии и разряда. Пооперационное разделение предполагает
закрепление за каждой операцией технологического цикла конкретных исполнителей.
Производственная операция является основной составной частью производственного процесса и основной единицей разделения труда. Разделение проходческих процессов на операции позволяет отделить основные работы от вспомогательных и подсобных, что способствует осуществлению специализации работ, следовательно, повышению производительности труда. Пооперационное разделение труда позволяет также более обоснованно организовать оплату труда, планировать и учитывать выполнение показателей по труду.
В проходческом цикле операции следуют одна за другой или выполняются параллельно, в результате чего отдельные проходчики, как правило, выполняют только часть общего объема работ. Поэтому важно установить взаимосвязь между исполнителями операций. Совместное участие многих рабочих в одном процессе или в разных, но связанных между собой процессах, называют кооперацией. Основными формами кооперации труда в подземном строительстве в зависимости от назначения сооружения, применяемого оборудования, характера и методов организации проходческих процессов, системы разделения труда являются: внутриучастковая, внут-ризабойная и внутрибригадная.
Внутриучастковая кооперация представляет собой совместное участие проходческих звеньев или бригад в одном или разных, но связанных между собой производственных процессах по сооружению объекта. Внутризабойная кооперация устанавливает связь между отдельными рабочими, занятыми в забое (разработка грунта, устройство временной крепи и т. д.), а также между ними и рабочими, занятыми на сооружении постоянной обделки. Внутрибригадная кооперация объединяет группу рабочих в выполнении определенного задания и является простейшей из всех.
С позиции научной организации труда (НОТ) основные работы (разработка забоя, возведение обделки) целесообразно совмещать с сопутствующими работами (установка временной крепи, помощь взрывникам при заряжании и др.), т.е. проходческие работы желательно выполнять силами комплексной бригады, кооперирующей труд и допускающей совмещение профессий. Применение специализированных подразделений дает экономический эффект при по
точном методе организации работ на строительстве крупных подземных сооружений, в том числе метрополитенов.
Бригадная форма организации труда. Назначение численности и состава бригады является одним из элементов НОТ. Количественный состав бригады можно определить расчетом, исходя из следующих позиций:
1) определение объемов работ, подлежащих выполнению, по номенклатуре действующих производственных норм (ЕНиР, ВНиР);
2) расчет нормативной трудоемкости каждого вида работ на основе производственных норм;
3) расчет плановой трудоемкости Тп с учетом фактически сложившегося уровня производственных норм Тн и расчетной производительности труда П с учетом запланированных мероприятий по ее повышению:
Т =Т (1-П 100); п и П
(6.1)
4) разделение общей величины затрат труда на выполнение всего комплекса работ по отдельным профессиям и разрядам с учетом составов звеньев в соответствии с ЕНиР;
5) установление характера работ в их технологической последовательности;
6) объединение работ в комплексы, поручаемые отдельным исполнителям с учетом рационального разделения и кооперирования труда, установление плановой величины затрат по каждому комплексу работ;
7) определение профессионального состава рабочих по каждому комплексу работ и необходимости совмещения профессий;
8) расчет плановой численности рабочих Чп по каждому комплексу работ с подразделением по профессиям и разрядам, исходя из установленного директивного срока выполнения работ С:
Чп = тп/С. (6.2)
Оценку результатов расчета производят исходя из двух критериев: удельного веса работ, выполняемых рабочими основных профессий в порядке совмещения отдельных операций, свойственных
другим профессиям (не должен превышать 20 % общей трудоемкости работ); среднего тарифного разряда рабочих в бригаде Рбр (дол-ср
жен соответствовать среднему разряду выполняемых работ Рр ).
ср
Уровень использования квалификации рабочих
у = рбр. рР ср ’ ср •
(63)
В случае У < 1,0 квалификация рабочих недостаточна, при У > 1 избыточна.
Средний разряд рабочих бригады определяют по среднему тарифному коэффициенту Кср:
рбр _ р ср м
к -к
ср м
к, -к
б м
(6.4)
где Рм разряд, соответствующий меньшему из двух тарифных коэффициентов (Км меньший, Кб больший), между которыми находится Кср. Средний тарифный коэффициент для звена или бригады определяют по формуле
Kcp'ZXvL»,. <6-5>
i
где Кг- и щ тарифные коэффициенты и число работников соответствующих разрядов i (i = 1...6).
Средний тарифный разряд работ Рр , поручаемых бригаде, опер
ределяют через среднюю часовую тарифную ставку С^, равную частному от деления суммы сдельной заработной платы 3, определенной по расценкам, на суммарную норму времени Т, выраженную в чел.-ч, для соответствующего комплекса работ, т. е. Сср = 3/Т.
При этом в соответствии со ст. 49 Трудового кодекса Российской Федерации принято решение внести следующие изменения и дополнения в Отраслевое тарифное соглашение по строительству и промышленности строительных материалов Российской Федерации:
- пункт 2.3 «Установить с 1 квартала 2004 года минимальную месячную тарифную ставку (оклад) рабочих 1 разряда при работе в нормальных условиях труда, отработавших полностью норму рабочего времени и выполнивших нормы труда, не ниже величины прожиточного минимума для трудоспособного населения, официально установленного в соответствующем субъекте Российской Федерации»;
- пункт 2.7 дополнить третьим абзацем следующего содержания: «При этом доля заработной платы рабочих в себестоимости строительной продукции (работ, услуг) не может быть ниже ранее достигнутого уровня, а темпы ее роста должны соответствовать темпам роста цен на потребительские товары и услуги в соответствующем регионе»;
- пункт 2.28 излагается в следующей редакции: «В случае приостановки работы в порядке, установленном статьей 142 Трудового кодекса РФ, работодатель обязан произвести работнику оплату за весь период приостановки работы в размере не ниже 2/3 тарифной ставки установленного ему разряда (оклада)».
При формировании проходческих бригад необходимо учитывать не только профессиональную пригодность рабочих, но и психофизиологические и социальные факторы. С этой целью с помощью профессиограмм определяют необходимые качества работника.
Например, в зависимости от вида работ индивидуальные качества проходчиков должны отвечать следующим требованиям.
1. При управлении проходческими машинами и механизмами уметь быстро и точно реагировать на световые и звуковые сигналы, оценивать и различать скорости и направления движущихся предметов, иметь способность продолжительно наблюдать одновременно за несколькими предметами или их отдельными частями, воспринимать звуковую информацию и дифференцировать разнообразные производственные шумы, уверенно узнавать предметы по форме и размерам при монтаже конструкций и оборудования.
2. При проходке подземных выработок оперативно узнавать отклонения от заданного направления и предписанной формы, определять углы, уметь точно соизмерять свои движения, силу и направление ее приложения; при передвижении по выработкам, определении движения подземного транспорта в условиях плохой освещенности воспринимать и быстро узнавать слабо освещенные и удаленные предметы, определять расстояния между ними.
3. При выполнении работ по ликвидации аварий и завалов иметь способ-
ность в отдельные моменты переносить значительные физические и нервно
эмоциональные напряжения, быстро переключать внимание, быть готовым воспринимать все новые ощущения, надежно помнить расположение машин и механизмов в забое. При выполнении предписанных действий в опасной ситуации и ликвидации неблагоприятных последствий аварии иметь способность быстро и точно совершать действия, четко ориентироваться в подземных выработках, сохранять устойчивость двигательных актов под влиянием экстремальных факторов в условиях дефицита времени и высокой ответственности.
4. При постоянном пребывании в условиях резко выраженных вредных факторов среды иметь способность переносить неприятные ощущения от интенсивного шума, высокой запыленности и загазованности воздуха, воздействия вибрации (затруднение дыхания, раздражение кожи лица при пользовании респиратором и т. д.) без выраженного эмоционального напряжения.
5. При работе в ночные смены иметь способность подавлять сонливость, эффективно работать в разные часы суток.
6. При выполнении работ по обеспечению безопасности коллег в условиях личной угрозы (риска) быть добросовестным, иметь чувство долга, ответственности, коллективизма, выдержки, самообладания.
7. При выполнении предписаний технологического паспорта иметь способность запоминать и выполнять сменное задание, пунктуально работать по схеме, быстро принимать решения при изменении ситуации и самостоятельно вносить изменения.
Анализ профессиограмм свидетельствует, что горнорабочие представляют собой категорию, в состав которой могут входить лица только с определенными психофизиологическими данными. Весьма важно при формировании бригады учитывать человеческий фактор. Это понятие включает в себя социальные, демографические, психологические и другие факторы. При выполнении горнопроходческих работ человеческий фактор приобретает особую значимость, так как они характеризуются повышенной опасностью, тяжелыми физическими нагрузками и неблагоприятными санитарно-гигиеническими условиями. Социально-психологический климат проходческих бригад может оцениваться такими показателями, как удовлетворенность трудом, соответствие работы физическим возможностям, степень сплоченности коллектива и др.
Возникновение конфликтов в коллективах связано, в основном, с выполнением производственных заданий, начислением заработной платы, межличностными отношениями. В передовых, хоро
шо работающих и зарабатывающих бригадах, как правило, имеют место более высокие социально-психологические показатели и низкий уровень травматизма. Следовательно, социально-психологический климат в бригаде, оказывая влияние на производственные показатели, сам является производной материально-технического обеспечения, организации труда и быта работающих. Поэтому важно повышать уровень механизации труда, надежность проходческого оборудования, улучшать санитарно-гигиенические условия и организацию труда.
Одно из важных условий правильного подбора состава бригады — соблюдение оптимального соотношения кадровых и молодых рабочих. По мнению специалистов, оптимальным является разнородный состав по возрасту, образованию и стажу работы. Подобранный таким образом коллектив обладает большими возможностями для обмена опытом и знаниями.
Таким образом, на формирование социально-психологического климата коллектива проходчиков существенное влияние оказывают организация труда, уровень механизации работ, материально-техническое обеспечение. Без решения этих проблем поддерживать социально-психологический климат бригады на должном уровне невозможно.
Приемы и методы труда. Систематическое изучение и внедрение в производство передового опыта дает возможность повышать производительность труда и скорость проходки горных выработок. Аналогичность горно-геологических условий, проходческой техники, технологии работ и организации труда создает благоприятные условия для распространения передового опыта. С этой целью организуют отраслевые и межотраслевые семинары и конференции, тематические выставки, занятия в институтах повышения квалификации. Оперативное распространение передового опыта производится изданием выпусков экспресс-информации, брошюр и плакатов.
Изучение и описание опыта производят по унифицированным схемам-эталонам с характеристиками горно-геологических, производственно-технических и организационных условий. Особое внимание уделяют поиску критериев, которые позволяют сравнить и распространить передовой опыт. Передовым производственным опытом (критерием) считают опыт такой работы коллектива участка,
бригады, тоннельного отряда, в ходе которой без дополнительных затрат были достигнуты устойчивые (в течение нескольких месяцев) производственные показатели, превышающие не менее чем на 25 % их нормативное значение для данных условий, и более высокие по сравнению с предыдущим периодом экономические показатели.
Полная или частичная ликвидация ручного труда возможна лишь при создании техники и технологии, исключающих его применение, или средств механизации ручного труда при существующей технологии.
Предпочтительным является первое направление, так как эффект его реализации имеет наибольшее социальное и экономическое значение. К мероприятиям этого направления относят разработку новых материалов, создание автоматизированных технологических линий по производству строительных конструкций, проходческих комплексов, средств бурения, многофункциональной проходческой техники и т.д.
Второе направление имеет быструю практическую отдачу, но менее эффективно, так как средства механизации ручного труда разрабатывают и приспосабливают к устаревшему оборудованию и существующим технологиям.
Сокращение затрат ручного труда при производстве СМР в настоящее время осуществляют насыщением строительных организаций строительными и горнопроходческими машинами. Обеспеченность строителей механизированным ручным инструментом пока остается низкой. В частности, слабо механизированы архитектурно-отделочные работы, а анализ существующей технологии и оснащенности средствами механизации при укладке пути в тоннелях показывает, что этот процесс по объемам ручного труда стоит на третьем месте после крепления выработок и бурения шпуров.
Наличие большого количества работ, требующих ручного труда, и возрастающие объемы строительно-монтажных и горнопроходческих работ в подземном строительстве вызывают необходимость их индустриализации, в том числе путем создания и внедрения средств малой механизации различного назначения [93, гл. 23].
Планирование и аттестация рабочих мест. Рабочим местом называют пространство, в пределах которого происходит трудовой процесс и размещаются необходимые для его осуществления предметы и орудия труда. Рабочее место в строительстве, в отличие от
промышленности, является зоной действий коллектива (звена или бригады) работников. Кроме того, рабочее место в строительстве перемещается в процессе работ, а продукция остается на месте (в промышленности — наоборот).
Организация рабочего места — это начальное звено в организации производственного процесса. Она начинается с правильной планировки, оснащения рабочего места комплектом оборудования и инструментов, обеспечения необходимыми материальными ресурсами. Для обслуживания рабочих мест необходимо выделять специальных вспомогательных и обслуживающих рабочих. Однако, как правило, на практике их не выделяют, поэтому значительный объем вспомогательных работ выполняют рабочие основных профессий, что приводит к общему снижению трудовых и производственных показателей.
Единой методологической основой для проведения аттестации рабочих мест служат рекомендации, изложенные в «Типовом положении об аттестации, рационализации, учете и планировании рабочих мест».
В состав аттестационной комиссии, возглавляемой, как правило, главным инженером, входят главный технолог, главный механик, главный энергетик, начальники производственного, планового, технического отделов и отдела труда и заработной платы (ОтиЗа), представители профсоюзной организации, совета бригадиров, НТО и др. Состав аттестационной комиссии и сроки аттестации утверждаются приказом (распоряжением) руководителя организации. В ходе аттестации каждое рабочее место оценивают комплексно по следующим параметрам: технический и организационный уровень, производственная безопасность и условия труда. При оценке учитывают внедрение передового отечественного и зарубежного опыта, соблюдение действующих строительных, санитарных норм и правил, норм технологического проектирования, межотраслевых и отраслевых нормативов по труду, требований типовых проектов и технологических карт организации труда на рабочем месте.
По итогам аттестации издается согласованный с профсоюзным органом приказ по организации, которым определяются: общее количество рабочих мест, подлежащих ликвидации, и создание новых; ответственные за проведение мероприятий по рационализации ра
бочих мест; меры по переоборудованию рабочих мест; меры поощрения работников за активное участие в аттестационной работе. Контроль выполнения намеченных мероприятий по рационализации рабочих мест осуществляет главный инженер.
Санитарно-гигиенические условия труда. Воздействие неблагоприятных условий труда на организм работающего выражается в развитии производственного утомления, профессиональной и общей заболеваемости, преждевременном старении. По степени и быстроте проявления этих последствий судят о тяжести и вредности условий труда.
Тяжелые и вредные работы разделяют на четыре категории. Работы IV категории тяжести и вредности допустимы лишь в исключительных случаях, вызванных особой необходимостью (спасение людей либо крупных материальных ценностей). Подземные горнопроходческие работы относят к II и III категориям.
Опасные и непривлекательные виды работ также разделяют на четыре категории; в отличие от тяжелых и вредных, их выполнение не требует льгот или компенсаций. Опасные работы разделяют по тяжести последствий в случае проявления опасности. Непривлекательные работы оценивают на основе эмоционального воздействия на человека. Для опасных и непривлекательных работ устанавливают стимулирующие повышенные тарифные ставки, более высокие — при опасных работах. Типовые перечни профессий и работ с тяжелыми и вредными условиями труда утверждаются соответствующим федеральным органом.
Улучшение условий труда — задача не только социальная, но и экономическая. Условия труда могут быть выражены рядом параметров: факторами труда, санитарно-гигиеническими условиями, режимом труда и отдыха, соблюдением требований экономики, производственной безопасности и эстетики труда.
К основным санитарно-гигиеническим факторам относят температуру, скорость движения и влажность воздуха, освещенность, шум, вибрацию и пр. Например, при отрицательной температуре воздуха необходимы перерывы для обогрева, при повышенной температуре — увеличение времени отдыха на 20 %; при естественном освещении по сравнению с искусственным производительность труда возрастает на 10 %, при уменьшении шума на 10 дБ — на 4 % и т.д.
Важным условием создания благоприятных санитарно-гигиенических условий труда является соблюдение требований охраны труда и производственной безопасности. Травмы и аварийные ситуации в большинстве случаев являются следствием недостаточной обученности работающих, их недисциплинированности, неправильной организации и ведения СМР, негативных примеров коллег, недостаточного обеспечения или пренебрежения средствами индивидуальной защиты и т.п. В частности, каждый пятый случай травмирования на производстве является следствием неудовлетворительной организации труда, а каждый девятый — некачественного обучения рабочих безопасным методам труда; 30 % погибших при авариях имели производственный стаж менее года.
Режим труда и отдыха. Работа не должна вызывать переутомление, которое обычно является следствием неправильной организации труда и требует длительного отдыха или даже специального лечения. Критерий нормальной интенсивности труда определяется двумя условиями: утомление, возникающее в процессе работы, должно полностью сниматься к началу следующего рабочего дня; рабочее время и средства производства должны использоваться полностью и рационально.
Для сопоставления уровней интенсивности труда обычно используют коэффициент Кр тяжести труда:
т +т -п
к =К см СВ-У
т у т +т
см св.у
(6.6)
где Ку коэффициент утомления рабочих, равный отношению количества сильно уставших рабочих к общему их количеству; Тсм продолжительность рабочей смены, мин; П потери рабочего времени за смену, мин.; Тсв у продолжительность сверхурочных работ, мин.
Для определения К можно использовать метод опроса (не менее 100 чел.), медико-биологическое обследование группы работающих после смены, данные специальной литературы.
При Кт = 0...0,2 работа относится к очень легкой и легкой; при Кр = 0,3.. .0,5 и 0,5.. .0,7 — средней тяжести и тяжелой; при Кр > 0,7 — очень тяжелой. В зависимости от тяжести работы регламентирует
ся режим труда и отдыха. При работах с большим нервным напряжением, высоким темпом и быстрыми движениями небольших групп мышц (работа машиниста щита, оператора вычислительных машин и пр.) необходимы частые перерывы небольшой продолжительности (по 3—5 мин). При работах с большими физическими нагрузками требуются не частые, но более длительные (по 10—15 мин) перерывы не менее двух в смену. Перерывы приурочивают к моментам начинающихся сбоев ритма работы. Важно определить форму отдыха: простая перемена труда (физического на умственный и наоборот), замена одного вида физического труда другим, производственная гимнастика или состояние полного покоя.
Резервы интенсификации горнопроходческих работ. Наука об организации метростроения рассматривает процессы строительного производства в аспекте их социально-экономического содержания, которое постоянно совершенствуется по мере ускорения НТП, развития техники и технологий. При этом следует учитывать, что такое совершенствование возможно лишь при создании определенных условий.
Строгая технологическая дисциплина. Она начинается с предварительного изучения бригадой технологической схемы и графиков работ, оснащения забоев необходимыми и резервными машинами и оборудованием, исключения внутрисменных простоев. Внутри-сменные простои нередко связаны с недостатками организации производства и управления (от просчетов инженерно-технической службы — 25 % потерь). Поэтому повышение квалификации руководителей всех уровней — одно из непременных условий интенсификации работ в подземном строительстве.
Правильный выбор технологии и организации работ. Он должен учитывать природные, прежде всего — горно-геологические условия и эксплуатационные характеристики проходческого оборудования. В состав организационно-подготовительных мероприятий входят: подбор проходческого комплекса машин и оборудования, обеспечивающего необходимые скорости проходки и заданный уровень производительности труда; разработка пооперационных параметров организации работ применительно к условиям строительства объекта; составление детального графика работ с расстановкой членов бригады в течение всей смены; изучение и опытная проверка
технологической схемы и графика организации работ; обеспечение забоев оборудованием и т.п.
Повышение технического уровня горнопроходческих работ не всегда приводит к улучшению технико-экономических показателей (увеличению скорости проходки, производительности труда). Именно поэтому необходимо систематически оценивать организационнотехнический уровень (ОТУ) производства (состояние производительных сил и степень их использования), чтобы можно было выявить резервы повышения производительности труда и установить взаимосвязь между ОТУ и технико-экономическими показателями работы коллектива.
Для количественной оценки ОТУ горнопроходческих работ используют хронометражные наблюдения. При этом среднее количество наблюдений по одной бригаде желательно принимать не менее 40, с группировкой статистического материала по выработкам, способам производства работ и периодам времени.
6.2. Управление качеством продукции
Понятие «качество продукции» в метростроении. Качество строительной продукции — это совокупность свойств, которыми должен обладать законченный строительством объект, обусловливающих его способность удовлетворять потребности в соответствии с экономическим и производственным назначениями. К основным показателям качества строительной продукции относят: показатели назначения, конструктивности, надежности, экономичности и эстетичности [40].
Показатели назначения (прочность, жесткость, трещино- и влагостойкость и др.) характеризуют соответствие физико-механических свойств объекта его назначению, т.е. способность выполнять основные функции, для которых он предназначен.
Показатели конструктивности (геометрические размеры, форма, взаимосвязь элементов) оценивают степень совершенства и прогрессивности сооружения.
Показатели надежности (долговечность, стойкость к внешним воздействиям, ремонтопригодность) показывают способность сооружения к безотказной работе с полным сохранением эксплуатационных качеств в конкретных условиях.
Показатели экономичности (удельная капиталоемкость, трудоемкость, материалоемкость) определяют уровень затрат материальных, трудовых и финансовых ресурсов на строительство и эксплуатацию сооружения.
Показатели эстетичности (рациональность форм, целостность композиции, внешний вид) характеризуют информационную выразительность сооружения, его архитектурную целостность и законченность.
Формирование указанных показателей происходит на всех этапах создания объекта и требует учета большого количества факторов. В связи с этим повышение качества метростроительной продукции является сложной проблемой, требующей системных методов управления качеством.
Стандарты качества продукции. Качество продукции нормируют в соответствии с его общественно необходимым и технически целесообразным уровнем. Основные количественные показатели качества приводят в соответствующих стандартах качества.
Стандарт качества — документ, определяющий полную техническую характеристику продукции, набор показателей качества и уровня каждого из них. Стандарты разрабатывают на основе достижений науки и техники. Соблюдение стандарта обязательно в пределах сферы его действия, что позволяет обеспечить необходимый технический уровень продукции и достижение ее требуемых потребительских свойств. Поэтому стандартизацию считают основой управления качеством, рычагом его регулирования.
В нашей стране действовали стандарты государственные (ГОСТы), отраслевые (ОСТы) и стандарты предприятий (СТП). За рубежом стандартизация также осуществляется на государственном, отраслевом и фирменном уровне. Для повышения конкурентоспособности каждая страна борется за признание своих стандартов в качестве международных. Для этого ведется соответствующая работа в Международной организации по стандартизации (ISO).
Стандарты ISO серии 9000 разработаны специалистами Канады, Англии, Японии, Германии, Австрии, Швеции, Франции, России и других стран (всего более 30). Они учитывают лучший опыт использования различных форм и методов управления качеством на всех стадиях жизненного цикла изделия. На стандарты ISO сегодня в пол
ном объеме ориентируются 20 стран мира, и около 60 используют рекомендации ISO при разработке своих национальных документов.
В некоторых странах уже более 10 лет при заключении контрактов правилом является обязательная проверка фирмой-потребителем системы качества на предприятии фирмы-поставщика. При этом все большие масштабы принимает практика сертификации системы качества на соответствие требованиям стандартов ISO в авторитетных испытательных центрах мира. В настоящее время нельзя назвать ни одной отрасли промышленности в экономически развитых странах, для которой разработка системы обеспечения качества и ее сертификация не являлись бы задачей первостепенной важности.
Пользователю важно знать, что стандарты ISO серии 9000 разработаны с учетом возможности выбора объема, включаемого в рамки системы обеспечения качества. Стандарт ISO 8402 содержит основные понятия и термины обеспечения качества с объяснениями. Стандарт ISO 9001 применяют в том случае, если система качества включает в себя проектирование, производство, сбыт, техобслуживание. Стандарт ISO 9002 применяют в качестве основы разрабатываемой системы, если та охватывает контроль производства продукции и ее монтажа. В стандарте ISO 9003 перечисляются требования, предъявляемые к системе качества, регулирующие осуществление контроля качества и проведение испытаний. Стандарт ISO 9004 описывает структуру управления функциями обеспечения качества. В стандарте подчеркивается роль руководителя организации в обеспечении всех условий выпуска высококачественной продукции.
Руководство корпорации «Трансстрой» в начале 2000 г. приняло решение о создании и внедрении системы качества на базе международных стандартов. При этом ставилась цель добиться высокого уровня конкурентоспособности корпорации, ее организаций и предприятий на внутреннем и внешнем подрядных рынках.
Для оказания предприятиям и организациям отрасли помощи в осуществлении намеченного создан консультационный центр ООО «Трансстрой-сертификат». В числе основных задач, поставленных перед ним, внедрение и сертификация систем качества в организациях и подбор консультантов, прошедших подготовку в ведущих сертификационных органах и имеющих практический опыт работы, организация обучения и подготовки специалистов по разработке и внедрению системы качества. Разработана программа первоочередных мер по сертификации системы качества в кор
порации и ее предприятиях, выполняющих работу по основным направлениям транспортного строительства.
Руководящим и информационным документом, устанавливающим основные положения системы качества в корпорации «Трансстрой», является Руководство по качеству. Оно содержит нормативные ссылки, термины, определения и сокращения, применяемые в области управления качеством и в документах системы качества с целью их однозначного понимания и толкования. В нем излагается политика в области качества, определяются полномочия и ответственность руководства и персонала на всех участках деятельности, отражаются вопросы обеспечения ресурсами и анализа функционирования системы качества со стороны руководства, излагаются основы организации и функционирования, определяется структура документации и область распространения системы качества. Исходя из специфики деятельности корпорации, в соответствующих разделах Руководства по качеству изложена применимость каждого из элементов ISO 9001-94, и на этой основе разработаны соответствующие стандарты предприятия (СТП), положения и инструкции.
СТП составляют комплект документов, устанавливающих порядок осуществления каждого из видов деятельности, проводимых в корпорации и влияющих на качество, определяющих ответственность, процедуры и последовательность выполнения работ, управления процессами, меры по контролю качества и документированию результатов. Уровень детализации стандартов зависит от сложности работы, используемых методов, навыков и образования персонала, вовлеченного в выполнение данной работы. Документы системы качества утверждены приказом по корпорации от 11 октября 2001 г. и с 12 октября 2001 г. введены в действие.
Оценка качества строительной продукции. Качество строительной продукции, в том числе объектов метрополитена, определяется качеством проектной документации, качеством труда по реализации проекта, качеством материалов и конструкций, а также качеством технологического оборудования и состоянием технологической дисциплины при выполнении строительно-монтажных процессов на стройплощадке [7].
Качество проектной документации характеризуется совокупностью ее свойств, обеспечивающих пригодность документации для решения конкретных задач по созданию объекта в соответствии с требованиями заказчика.
Качество труда определяется совокупностью свойств трудовой деятельности, определяющей соответствие этого процесса и его ре
зультатов установленным требованиям к качеству продукции. Существенными являются квалификация персонала и социальные условия, причем важна квалификация не только рабочих, но и ведущего персонала на стройплощадке (мастеров, прорабов) и в офисе (управляющего персонала).
Качество строительной продукции формируется на всех этапах ее создания: предпроизводственном, производственном и после-производственном. Предпроизводственный этап включает в себя инвестирование объекта, проектно-изыскательские работы, работы по производству строительных материалов и конструкций и их доставке на стройплощадку. Производственный этап — это совокупность строительных и монтажных процессов, в результате выполнения которых проект сооружения воплощается в натуре. Послепроизводственный этап содержит мероприятия по сдаче сооружения в эксплуатацию и собственно эксплуатацию, предполагающую систему мероприятий по содержанию объекта.
В соответствии с этим обеспечение необходимого уровня качества является комплексной проблемой, зависящей от всех участников инвестиционного процесса: заказчика, заводов-поставщиков конструкций и материалов, проектно-изыскательских, строительно-монтажных и надзорных организаций. Оценка качества имеет много аспектов: философский (под качеством понимают все, что составляет сущность объекта, т.е. совокупность его свойств); технический (качество продукции по сравнению с аналогом, принятым за эталон); правовой (соответствие требованиям законодательных актов); социальный (спрос на продукцию); экономический (соответствие качества потребностям заказчика с учетом затрат). Пособие по оценке качества СМР при сооружении линии метрополитена [64] предусматривает проведение оценки качества: отдельных видов СМР (в процессе строительства); работы бригады, участка метростроительной организации (за определенный период времени); законченного строительством объекта или отдельного участка линии (при сдаче в эксплуатацию).
Оценка качества отдельных видов СМР при приемке их от исполнителей производится начальниками участков или смен с привлечением специалистов: маркшейдеров, работников строительных лабораторий и др. При этом учитывают результаты контроля, осу
ществляемого представителями технического надзора заказчика и авторского надзора проектных организаций, а также государственными и ведомственными органами надзора.
Оценка качества скрытых работ и работ по возведению ответственных конструкций производится при приемке этих работ техническим надзором заказчика с участием представителя подрядчика (начальников участков и смен) и проектной организации.
Качество СМР законченного строительством объекта оценивается рабочими и государственными приемочными комиссиями. Степень соответствия каждого параметра продукции предъявляемым требованиям оценивают в зависимости от величины отклонения, находящегося в поле допуска между верхним 8 и нижним 8 предельными отклонениями, определенными с известной вероятностью Р, или от допуска А = 8в -8 При этом выставляют следующие оценки:
«отлично», если среднее значение параметра имеет наименьшее отклонение (около 0,6А) от номинальной проектной величины и, таким образом, превосходит требования проекта, нормативных документов и стандартов без увеличения сметной стоимости соответствующих видов работ;
«хорошо», если среднее значение параметра имеет среднее отклонение (около 0,8Д) от номинальной проектной величины и, таким образом, полностью соответствует требованиям проекта, нормативных документов и стандартов с определенным резервом без увеличения сметной стоимости соответствующих видов работ;
«удовлетворительно», если среднее значение параметра имеет наибольшее отклонение (А) от номинальной проектной величины и, таким образом, соответствует требованиям проекта.
Степень соответствия всех параметров или уровня качества продукции требованиям проекта, нормативных документов и стандартов может быть оценена на «отлично», «хорошо» и «удовлетворительно». Выполненные работы с оценкой степени соответствия требованиям проекта хотя бы одного контролируемого параметра ниже, чем «удовлетворительно», приемке не подлежат.
Качество отдельных видов работ и возведения конструктивных элементов объектов метрополитена оценивают на основе комплекс
ного показателя П, рассчитываемого с учетом значимости (весомости) отдельных единичных показателей по формуле
olCZ + ... + а Q
П = -^-----2^2-------(67)
а. +ал +... + а 1 2 п
где ар а2, ... аЛ коэффициенты значимости параметров; -Qn
оценки степени соответствия отдельных параметров требованиям проекта нормативных документов и стандартов; п число оцениваемых параметров.
Оценку качества отдельных видов работ определяют в зависимости от значения показателя П: при П = 4,51...5,00 — «отлично»; П = 3,51...4,50 — «хорошо»; П = 3,00...3,50 — «удовлетворительно»; П < 3,00 — «неудовлетворительно». Оценку качества СМР заносят в журналы работ, наряды, акты освидетельствования скрытых работ, акты промежуточной приемки ответственных конструкций. При этом фиксируют дефекты, определяемые стандартом как каждое отдельное несоответствие продукции требованиям, установленным нормативной документацией. Дефекты подразделяют в зависимости от значимости на критические (при наличии которых снижается безопасность работ, прочность, надежность и долговечность сооружения, что делает эксплуатацию невозможной); значительные (несущественно влияющие на безопасность работ, могущие снизить прочность, надежность и долговечность объекта в эксплуатации) и малозначительные (не оказывающие существенного влияния на прочность, надежность и долговечность объекта в эксплуатации). При наличии хотя бы одного критического дефекта работы подлежат переделке. После устранения критических дефектов проводят повторную приемку работ.
Оценка качества объекта в целом не может быть установлена выше, чем оценка любого из отдельных видов работ, отнесенных к ответственным. Переделке не подлежат работы, выполненные с превышением нормативного отклонения, если в результате этого превышения повышается надежность работы объекта в течение всего срока службы.
Количественные значения контролируемых параметров определяют измерительным, расчетным и визуальным методами, весомость единичных и комплексных показателей — экспертным.
Минимально необходимый объем выборки (число п) при измерении контролируемого параметра определяют в зависимости от доверительного уровня вероятности Р, который назначают с учетом функциональных, конструктивных, технологических и экономических требований. Например, при оценке качества подземной разработки грунта, возведения временных вспомогательных конструкций, прокладки кабельных линий можно рекомендовать значение Р = 0,90; возведения несущих конструкций и работ по гидроизоляции — более высокий Р - 0,95, так как качество этих работ сказывается на надежности и долговечности объекта метрополитена.
Качество СМР оценивают при выборе варианта, планировании показателей качества, приемке законченного строительством объекта и в процессе его эксплуатации.
Виды контроля качества строительно-монтажных работ. Контроль качества строительной продукции является одной из важнейших функций управления качеством СМР. Различают внутренний (производственный) контроль и внешний контроль.
Производственный контроль (входной, операционный, промежуточный и выходной, или приемочный) осуществляется в самой строительной организации. Главный механизм заключается в организации самоконтроля, т.е. контроля на низовом уровне, когда качество выполненных работ проверяется самим рабочим или бригадиром.
В число основных задач производственного контроля входят обеспечение соответствия выполняемых СМР проекту и требованиям нормативных документов, соблюдения заданной технологии производства работ, своевременного выявления дефектов и причин их возникновения, предупреждения дефектов и своевременного их устранения, повышения ответственности ИТР и непосредственных исполнителей за качество выполняемых работ. Технической базой производственного контроля является метрология, в задачи которой входят: разработка средств контрольных измерений, ремонт и проверка их состояния; обеспечение достоверности контрольных измерений. При сооружении объектов метрополитенов необходимы следующие виды контроля: входной контроль рабочей документации, конструкций, изделий, материалов и оборудования; операционный контроль отдельных строительных процессов или произ
водственных операций; промежуточный и выходной (приемочный), а также внешний (инспекционный) контроли качества СМР.
Качество СМР контролируют специально создаваемые в строительных организациях службы, которые оснащаются техническими средствами, обеспечивающими необходимую достоверность и полноту контроля.
При входном контроле рабочей документации проверяют ее комплектность и достаточность содержащейся в ней технической информации для производства работ. Исполнителями этого вида контроля являются работники технического и производственно-технологического отделов.
Входной контроль строительных конструкций, изделий, материалов и оборудования заключается во внешнем осмотре, проверке соответствия рабочей документации, а также наличия и содержания паспортов, сертификатов и других сопроводительных документов. Исполнителями контроля являются работники управлений ПТК, строительных лабораторий, начальники участков и смен.
Операционный производственный (технологический) контроль осуществляют в процессе работ или после их завершения. Он предназначен для своевременного выявления дефектов и причин их возникновения, что позволяет принимать соответствующие меры по их устранению. При этом проверяют соблюдение проектной технологии работ и соответствие выполненных работ рабочим чертежам, нормативным документам и стандартам. Данный контроль выполняют начальники участков и мастера с привлечением технических служб. Исходными документами при этом контроле являются схемы операционного контроля, разрабатываемые в составе ППР. Эти схемы включают в себя: эскизы конструктивных элементов (с указанием допускаемых отклонений в их размерах и требуемой точности измерений); перечень операций или процессов, качество которых должен проверить производитель работ; перечень процессов, контролируемых с участием лабораторий и геодезических служб; перечень скрытых работ (которые невозможно проконтролировать после выполнения последующих работ); указания по составу, срокам и способам контроля.
На основные виды работ и отдельные объекты транспортного строительства разработаны «Сборники карт операционного конт
роля качества» (КОКК) строительно-монтажных работ» по семи разделам, в том числе раздел V — по тоннеле- и метростроению. Этот раздел состоит из 14 выпусков: I — буровзрывные работы; II — проходка шахтных стволов; III — сооружение тоннелей с раскрытием профиля по частям; IV — сооружение тоннелей с разработкой забоя на полный профиль; V — гидроизоляция тоннельных обделок закрытого способа работ; VI — гидроизоляция тоннелей, сооружаемых открытым способом; VII — земляные работы; VIII — монтаж элементов обделки тоннелей при открытом способе работ; IX — монтаж цельносекционной обделки тоннеля открытым способом работ; X — устройство монолитных железобетонных конструкций; XI — устройство пола в подсобных и вспомогательных помещениях метрополитена; XII — прокладка и монтаж кабельных линий в тоннелях и на станциях метрополитена; XIII — монтаж постоянных устройств освещения на станциях и в тоннелях метрополитена; XIV — монтаж элементов обделки и конструкций станций закрытого способа работ.
В зависимости от объекта контроля используют различные методы его осуществления: непосредственный осмотр; обмеривание объемов или размеров; контроль с помощью геодезических инструментов; контроль с помощью лабораторных испытаний.
Промежуточный производственный контроль осуществляют при приемке законченных конструктивных элементов и видов работ (устройство фундаментов, гидроизоляции и т.д.) до начала последующих работ с составлением акта.
Выходной (приемочный) контроль качества продукции производят с целью проверки и оценки качества законченных сооружений (для чего заказчиком создается приемочная комиссия) или наиболее ответственных конструктивных элементов (котлованов, гидроизоляции и т.п.), а также скрытых работ с составлением актов по установленной форме. Акты составляются представителями производственного персонала строительной организации, технического надзора заказчика и авторского надзора проектной организации.
Приемку скрытых работ производят при нагнетании раствора за обделку, установке арматуры монолитных обделок, сварке металлической гидроизоляции, подготовке поверхности тюбингов перед установкой водоотводящего зонта, укрепительной цемента
ции грунта за обделкой, забутовке временных выработок и т.д. Приемку скрытых работ выполняют по мере их окончания до начала последующих работ. Если последующие работы будут начаты с большим перерывом, то приемка скрытых работ осуществляется повторно [92].
При приемке особо ответственных конструкций участие представителей проектных организаций, осуществляющих авторский надзор, является обязательным.
К внешнему контролю качества СМР относят авторский надзор проектных организаций, технический надзор заказчика, специальный надзор, осуществляемый консалтинговыми фирмами и другими специализированными организациями, а также государственный надзор, который ведут инспекция архитектурно-строительного надзора, органы санитарного, пожарного, экологического надзора, Госгортехнадзора и некоторые другие организации.
Государственные и ведомственные органы контроля и надзора действуют на основании специальных положений и проверяют: технический контроль заказчика — соблюдение установленных сроков строительства, качество и сметную стоимость работ; авторский надзор проектной организации — соблюдение проектных решений и качество работ; госархстройконтроль — соблюдение технических норм и правил; пожарная инспекция — выполнение указанных в проекте профилактических противопожарных мероприятий, соблюдение требований по обеспечению противопожарной безопасности; санитарно-эпидемиологическая инспекция — выполнение требований санитарии и гигиены; государственный горнотехнический надзор — соблюдение технического состояния, правильность установки и эксплуатации подъемно-транспортных механизмов, безопасности буровзрывных работ; техническая инспекция профсоюзов — соблюдение норм трудового законодательства, правил охраны труда и техники безопасности. Замечания представителей надзорных органов должны фиксироваться в журнале работ. В специальном разделе журнала заказчик намечает также мероприятия по устранению обнаруженных дефектов с указанием сроков устранения.
Надзорные органы имеют право приостановить строительство объекта в случае обнаружения существенных отклонений от проек
та, а также серьезных дефектов в выполнении работ или организации строительства. Возобновление работ возможно только после устранения всех обнаруженных дефектов.
Общий контроль и оценку качества законченного объекта производит комиссия, назначенная для приемки сооружения в эксплуатацию.
Система контроля не решает проблему качества в целом, только позволяет выявить дефекты изделия или СМР. Современному строительному производству необходима комплексная система управления качеством (КС УК) работ, позволяющая не только определить дефекты, но и выработать меры по их устранению на основе тщательной оценки. Таким образом, задача КС УК заключается в совершенствовании организации (управления) строительного производства с целью повышения его эффективности, постоянного обеспечения соответствия качества СМР требованиям нормативно-технической документации в заданные планом сроки. Внедрение Комплексных систем управления качеством, в том числе строительно-монтажных работ (КС УК СМР) и управления качеством продукции (КС УК УКП), позволяет установить четкое взаимодействие всех подразделений, регламентировать круг обязанностей, сроки выполнения и ответственность всех исполнителей, начиная от линейного персонала и до руководителя организации; своевременно выявлять, анализировать и устранять причины сбоев в работе.
Приемка в эксплуатацию законченных строительством объектов. По окончании строительства автор проекта организует проведение обследования объекта и проверку исполнительной документации, после чего извещает заказчика о готовности объекта. Заказчик назначает комиссию для приемки объекта, в состав которой вместе с представителями всех заинтересованных организаций включается автор проекта.
Приемка в эксплуатацию законченных строительством объектов осуществляется приемочными комиссиями (на первоначальном этапе — рабочими и ведомственными, на заключительном этапе — государственными). Рабочие комиссии назначаются заказчиком на основании письменного уведомления генерального подрядчика о готовности объекта к сдаче. Ведомственные приемочные комиссии назначаются начальником метрополитена за 30 дней до установ
ленного срока приемки на основании письменного уведомления генподрядчика о готовности объекта к сдаче. Государственная приемочная комиссия назначается органом городского самоуправления по представлению заказчика не позднее, чем за три месяца до установленного срока сдачи объекта в эксплуатацию. В состав комиссии включаются: представители заказчика, эксплуатационной организации, генерального подрядчика, субподрядных организаций, генерального проектировщика, государственных надзорных органов (санитарного, пожарного, экологического, горнотехнического), технической инспекции труда профсоюзов, штаба ГОЧС и, при необходимости, представители других организаций.
В процессе приемки устанавливают соответствие сдаваемого сооружения и работ утвержденной проектной документации, требованиям строительных норм, Правил технической эксплуатации железных дорог РФ и других нормативных документов. Приемка должна охватывать все виды работ, конструкций или их отдельных частей, включая скрытые работы.
Объекты строительства должны предъявляться к приемке государственной приемочной комиссией только после устранения недоделок и замечаний, выявленных рабочими комиссиями, проведения пусконаладочных работ, испытаний и опробирования установленного оборудования. Объекты строительства могут быть приняты и введены в эксплуатацию как в полном объеме, так и по отдельным очередям и пусковым комплексам, если это предусмотрено утвержденной проектной документацией.
Из состава пусковых комплексов не должны исключаться: сооружения, предназначенные для обслуживания персонала; мероприятия по обеспечению здоровых и безопасных условий труда; мероприятия по защите природной среды. Объекты строительства могут быть приняты в эксплуатацию только в том случае, если они укомплектованы эксплуатационными кадрами, обеспечены энергоресурсами, оборудованием и т.п. в объеме, предусмотренном проектом.
На каждый вводимый в эксплуатацию объект заводится специальное дело, которое должно содержать обязательные технические материалы, передаваемые заказчику строительной организацией при сдаче сооружения. Перечень этих материалов приведен в СП 32-108 [92].
Рабочие и ведомственные комиссии в процессе работы обязаны: проверить соответствие выполненных строительно-монтажных работ, мероприятий по охране труда, обеспечению взрыво- и пожаробезопасности, охране окружающей природной среды и антисейсмических мероприятий — проектной документации, действующим нормативам с проведением в необходимых случаях контрольных испытаний конструкций; установить соответствие объектов и смонтированного оборудования проектной документации, рассмотреть результаты испытаний и комплексного опробования оборудования, подготовленность объектов к эксплуатации, включая выполнение мероприятий по обеспечению здоровых и безопасных условий труда и по защите природной среды; произвести приемку оборудования. Приемку в эксплуатацию инженерного оборудования осуществляют после выполнения пусконаладочных работ.
После подписания акта приемки объекта членами комиссии руководитель проекта выдает подрядчику документ под названием «Сертификат завершения объекта» [7]. Сертификация—система мер по обеспечению высокого качества продукции, ее конкурентоспособности, защите прав потребителя, интеграции отечественной экономики в мировую систему. Сертификация неотделима от стандартизации и метрологии. Сертификация строительного объекта заключается в выдаче подрядчиком соответствующей гарантии качества. Основные показатели качества сооружения, сдаваемого в эксплуатацию, определяются уровнем качества исходных материалов (удостоверяемых сертификатами поставщиков), качеством проектной документации (выявляется экспертизой проекта) и ее реализации подрядчиком, т.е. соблюдением нормативных допусков по отклонениям контролируемых параметров. Подрядная организация берет на себя обязательство «послепродажного обслуживания» объекта в течение гарантийного срока, зафиксированного в подрядном договоре.
Контрольные вопросы к главе 6
1. Какие формы и методы организации труда вам известны?
2. Что означают понятия «разделение труда» и «кооперирование труда»?
3. В чем заключается бригадная форма организации труда?
4. Как вы понимаете вопросы планирования и аттестации рабочих мест?
5. Какие показатели применяют для оценки организационно-технического и технико-экономического уровня горнопроходческих работ?
6. Что включают в себя понятия «качество» и «стандарты качества» продукции?
7. Как производится оценка качества строительной продукции?
8. Какие известны виды контроля качества СМР?
9. Как производится приемка в эксплуатацию законченных строительством объектов?
Раздел III. СТРОИТЕЛЬСТВО ПЕРЕГОННЫХ ТОННЕЛЕЙ И СТАНЦИЙ МЕТРОПОЛИТЕНА
ЗАКРЫТЫМ СПОСОБОМ
Глава 7. СТРОИТЕЛЬСТВО ПЕРЕГОННЫХ ТОННЕЛЕЙ
7.7. Основные положения организации и технологии строительства перегонных тоннелей
Сооружение перегонных тоннелей возможно закрытым или открытым способами. Закрытый способ может быть реализован: немеханизированными или механизированными щитами; без щитов с использованием специально оснащенных укладчиков обделки; с применением специальных способов работ в сочетании со щитами (в неустойчивых и водоносных грунтовых массивах) [1; 4; 5; 15, ч. 1; 24; 27; 29; 31; 36; 40; 41, гл. IX; 47; 89; 93, гл. 32; 98, гл. 1; 101, гл. 2; 103, ч. 2, гл. 1, 4; 105, гл. 12—14; 108; 111; 112, 1.5.1; 121]. Сооружение тоннелей открытым способом может осуществляться в котлованах или траншеях, разрабатываемых механизированными средствами, с последующим возведением обделки.
При строительстве линий метрополитена перегонные тоннели, как правило, сооружают отдельными участками, длина которых ограничивается расположением станций. Применение дорогостоящих комплектов на таких сравнительно коротких участках (1,0—2,0 км) не обеспечивает их эффективного использования и приводит к ряду отрицательных последствий. В частности, частый монтаж-демонтаж оборудования при его перебазировании приводит к преждевременному износу механизмов, а также не позволяет организовать их стабильную высокопроизводительную работу, так как на каждом участке приходится устанавливать свой режим работы, а нередко — вновь обучать персонал. Это снижает эффективность работы, коэффициент использования и производительности комплексов.
Возможности скоростного сооружения перегонных тоннелей метрополитенов закрытым способом обеспечиваются механизированными проходческими комплексами с рабочими органами, конструируемыми применительно к конкретным инженерно-геологическим условиям строительства (рис. 7.1): со щитовой оболочкой; бесщитовые; с шарошечным, резцовым или комбинированным ин-
Рис. 7.1. Принципиальные схемы механизированных проходческих щитов для строительства метрополитенов (поз. а...к см. в табл. 7.1)
струментом; с оборудованием для механического, гидравлического (тиксотропного) или грунтового (шламового) пригруза.
Условия применения отечественных и зарубежных механизированных щитов с различными рабочими органами приведены в табл. 7.1.
Таблица 7.1
Сравнительные характеристики проходческих щитов для строительства метрополитенов (см. рис. 7.1)
Диапазон гидрогеоло гических условий Отечественные щиты Зарубежные щиты
схе ма характеристика схема характеристика
Глинисто песчаные грунты естественной влажности с/< 1,0 а КТ 5,6Б2: масса 300 т; производительность 150 м/мес. е «Роббинс» (США): масса 220 т; произ водительность 300 м/мес.
б ТЩБ 7М: масса 420 т; производительность 90 м/мес. ж «Баде и Теелен» (Германия): масса 260 т; производи тельность 100 м/мес.
Устойчивые твердые глины естественной влажности с/< 2,0 в КТ1 5,6: масса 320 т; производительность 350 м/мес. 3 «Ловат» (Канада): масса 250 т; произ водительность 350 м/мес.
Устойчивые грунты (мергели, известняки и пр.) с/< 5,0 г КТ 5,6Д2: масса 400 т; производительность 150 м/мес. и «Тимарк» (Анг лия): масса 210 т; производитель ность 200 м/мес.
Смешанные грунты различной крепости неоднородные по прочности и устойчивости с/<7,0 Проходка с примене нием крепления забоя, отбойных молотков и частично БВР. Отече ственный щит в стадии разработки
Крепкие скальные грунты с/< 18,0 Проходка с примене нием БВР. Отечествен ный щит в стадии раз работки к «Роббинс» (США); «Вирт» (Герма ния): масса 335 т; производитель ность 300 м/мес.
Сложные условия: водоносные пески, супеси с гидростата ческим давлением до 0,3 МПа, липкие и размокаемые глины В практике проходка осуществляется с приме нением спецспособов (замораживание, химза крепление, водопониже яие), за рубежом широко применяют роторные щиты с пригрузом забоя д «Вайсс унд Фрей таг» (Германия): масса 310 т; произ водительность 300 м/мес.
Существенное влияние на выбор организации горнопроходческих работ в перегонных тоннелях оказывает фронт тоннельных работ, т.е. возможное число одновременно действующих забоев. Так, при строительстве перегонных тоннелей немеханизированными щитами или с помощью укладчиков обделки, когда скорости проходки не превышают 150 м/мес., проходку целесообразно вести из двух или четырех встречных забоев. В первом случае проходка может осуществляться от смежных станций [105, рис. 21.11, 21.12] или от перегонного ствола к станциям (рис. 7.2).
При этом длина проходки одним забоем примерно равна половине длины перегона, а выдача грунта и подача материалов осуществляется через станционный или перегонный ствол. Вторая схема требует четыре комплекта горнопроходческого оборудования и больших единовременных затрат, людских и материальных ресурсов.
При использовании механизированного щитового комплекса, обеспечивающего высокую скорость проходки (150 м/мес. и более), стремятся к тому, чтобы участок проходки был по возможности более протяженным. Это повышает эффективность использования комплекса. Длину участка проходки механизированным щитовым комплексом обычно принимают не менее длины перегона. При этом проходку ведут от станции, направляя потоки грунта и материалов через станционный ствол, а после прохождения створа перегонного ствола переключаются на шахтный подъем этого ствола.
В однородных геологических условиях возможна проходка одним механизированным щитовым комплексом нескольких перегонов, как это осуществлялось при строительстве метрополитена в Ленинграде.
Рис. 7.2. Схема открытия фронта работ по сооружению участка метрополитена: 1 шахтный ствол; 2 околоствольный двор; 3 подходные выработки; 4 обгонная штольня; 5 станция; 6 перегонные тоннели; А направление
проходки
В этом случае промежуточные станции щитовой комплекс проходит транзитом. В пределах станций пройденный тоннель выполняет роль пилот-тоннеля при последующей проходке бокового станционного тоннеля закрытым способом либо путевого тоннеля при строительстве станции без боковых посадочных платформ или полузакрытым способом. При наличии путевых станционных тоннелей необходимо предусматривать возможность перемещения щитового комплекса по станции и камерам съездов для транзитной проходки перегонных тоннелей. Такая технология была успешно осуществлена на Сырецко- Печерской линии Киевского метрополитена (рис. 7.3).
Перемещение механизированного комплекса КМ-24 через сооруженный ранее левый станционный тоннель (ЛСТ) ст. «Сырецкая» осуществлялось вместе с блокоукладчиком и технологическими платформами циклично с шагом 1 м. При выходе из перегонного тоннеля, упираясь щитовыми домкратами в последнее смонтированное кольцо обделки, щит передвигался по направляющим рельсам на 1 м. Далее рычагом щитового блокоукладчика лотковый блок длиной 1 м устанавливался на направляющие рельсы с плотным примыканием его с помощью специальных прокладок к последне-
Рис. 7.3. Технологическая схема перемещения щитового комплекса по станции и камерам съездов:
1 щитовой комплекс; 2 рельс направляющий (4 нити); 3 основание из монолитного железобетона; 4 основание из сборного железобетона; 5 оснастка переставная (7 секций); 6 упорная рама; 7 кольцо обделки
му кольцу обделки перегонного тоннеля. Для последовательного передвижения щита, блокоукладчика и платформ на фундаменте основания и фундаментном блоке монтировали 7 пар опор блокоукладчика. Каждый раз, опираясь на фланцы опор гидроцилиндрами шагания, блокоукладчик перемещался на 1 м вместе с технологическими платформами. Следующий лотковый блок монтировался аналогично описанному процессу.
Таким образом, разработка и внедрение данной технологии позволили осуществить одновременную проходку перегонного и станционного тоннелей, создать условия для перемещения щитового комплекса и обеспечить более высокую устойчивость выработки большого сечения. Кроме того, были исключены строительство монтажных и демонтажных камер по трассе тоннеля, транспортировка и монтаж щита при высоком уровне совмещения строительно-монтажных работ. На этой основе были получены высокие технико-экономические показатели сооружения сложного объекта при его ускоренном пуске в работу.
Открытие фронта работ при проходке перегонного тоннеля мелкого заложения закрытым способом с помощью щита выполняют из котлована станции или из неглубокого шахтного ствола, размещаемого в середине перегона, на основании технико-экономического сравнения нескольких вариантов.
7.2. Выбор оптимального варианта строительства перегонных тоннелей в сложных условиях
При строительстве перегонных тоннелей в сложных инженерногеологических условиях с помощью немеханизированных щитов с открытым забоем возникает необходимость в использовании одного из специальных способов стабилизации грунтов (водопонижение, замораживание, химическое закрепление и др.), оказывающих вредное влияние на экологическую обстановку по трассе тоннеля.
Выбор способа проходки выполняют на основе технико-экономической оценки вариантов.
Так, на переходном участке между глубоким и мелким заложением тоннелей перегона между станциями «Минская» и «Славянский бульвар» Строгин-ской линии Московского метрополитена трасса тоннелей пересекает: обводненные мергелистые грунты и известняки средней прочности с гидростати-
ческим давлением до 0,1 МПа и водопритоком 6 м3/ч; юрские глины и суглинки (около 600 м) с мелкой слоистостью, твердые в природном залегании, но при увлажнении теряющие устойчивость, с прослойками водоносных супесей мощностью до 1,5 м с гидростатическим давлением до 0,3 МПа; водоносные пески и супеси (400 м) с гидростатическим давлением до 0,25 МПа.
Были рассмотрены три варианта проходки участка: 1) двумя немеханизированными щитами типа ЩН-1 с обделкой из чугунных тюбингов и укреплением грунтов искусственным замораживанием; 2) одним механизированным комплексом фирм «Херренкнехт» или «Вайсс унд Фрейтаг» с обделкой из железобетонных блоков и 3) одним механизированным комплексом фирмы «Ловат» с обделкой из железобетонных блоков [108].
Вариант 1. Сооружение тоннелей двумя немеханизированными щитами с искусственным замораживанием грунтов. Для этого должны быть построены рабоче-вентиляционный ствол диаметром 8,5 м и надшахтный комплекс, обеспечивающий возможность одновременной проходки тоннелей и станции. Обделка ствола предусматривалась из чугунных тюбингов с внутренней железобетонной рубашкой и металлоизоляцией, верхний вентиляционный узел из стандартных железобетонных блоков, вентиляционный канал от ствола к тоннелям из чугунных тюбингов. Вариант предусматривал сплошное замораживание грунтов с поверхности на длине 985 м и водопонижение скважинами на длине 200 м.
Монтаж щитов намечалось выполнить в камерах в торце ст. «Минская». На первом участке длиной около 20 м в устойчивых грунтах проходка должна была вестись с применением буровзрывных работ, а на последующих 940 м с замораживанием грунтов с поверхности захватками по 50 м. На последующем участке трассы (около 200 м) проходка с применением водопонижения глубинными скважинами. Проходческие щиты должны были двигаться в одном направлении с отставанием на 30 40 м и выйти в демонтажную камеру в пределах вентсбойки в торце ст. «Славянский бульвар».
На время производства работ предусматривалась система принудительной вентиляции, включающей в себя главную вентиляционную установку, расположенную на поверхности, и сеть трубопроводов. Для откачки воды необходимы центральная насосная станция и местный водоотлив из забоев. Для транспортировки грузов по горизонтальным выработкам используется подземный подвижной состав узкой колеи электровозы, глухие и опрокидные вагонетки, маневровые лебедки. Вертикальный транспорт на мелком заложении шахтным клетьевым грузовым подъемом, а при проходке ствола и на глубоком заложении грузо-людским подъемом.
График строительства тоннелей переходного участка по данному варианту был составлен с учетом опыта проходки в аналогичных условиях: скорости сооружения тоннелей немеханизированными щитами в обычных ус
ловиях и на участках скважинного водопонижения 75 м/мес., на участках сплошного замораживания 25 м/мес.; продолжительность монтажа (демонтажа) щита 1 мес. Плановая продолжительность проходческих работ по сооружению тоннелей составила 51 мес. С учетом подготовительных и заключительных операций (организация стройплощадок, проходка ствола, околоствольных и подходных выработок, гидроизоляционные и наладочные работы) этот перегон стал определяющим для пуска линии на участке от ст. «Парк Победы» до ст. «Кунцевская».
Вариант 2. Проходка тоннелей с применением механизированного комплекса фирмы «Херренкнехт» (или «Вайсс унд Фрейтаг»). Для организации работ по этому варианту должны быть построены и смонтированы: надшахтный комплекс мелкого заложения, технологические сооружения (главная вентиляционная установка, компрессорная, мастерские и т.п.), санитарно-бытовые помещения (кессонный здравпункт с лечебным шлюзом, помещения для отдыха кессонщиков); оборудование для регенерации пульпы. Проходку первого тоннеля предусматривали из монтажной камеры в торце ст. «Славянский бульвар», второго в обратном направлении после разворота щита в специальной разворотной камере большого сечения в торце ст. «Минская». При этом оборудование регенерации пульпы целесообразно перебазировать на площадку ст. «Минская».
Системы вентиляции, водоотлива, подземного транспорта аналогичны предусмотренным в варианте 1. При развороте комплекса частично разбирают технологические тележки. Демонтаж комплекса осуществляют в открытом котловане в торце ст. «Славянский бульвар».
Согласно разработанному графику строительства (рис. 7.4) срок проходки тоннелей составил 23 мес., а с учетом подготовительных и заключительных работ 4 года 6 мес. В графике учтено: время на монтаж комплекса 2 мес., остановка на переустройство комплекса с исполнения микс-
щита на ЕРВ-исполнение и обратно 4 мес., перемещение щита на ось второго тоннеля в разворотной камере 1 мес., перемонтаж технологического оборудования комплекса во втором тоннеле 3 мес., скорость проходки с учетом опыта работы аналогичного комплекса фирмы «Вайсс унд Фрейтаг» на сооружении участка Люблинско-Дмитровской линии 200 м/мес.
Вариант 3. Сооружение тоннелей с применением комплекса фирмы «Ловат». Для этого используются базовые площадки ст. «Славянский бульвар» и «Минская», обустроенные аналогично указанным в вариантах 1 и 2, узел с вентиляционным стволом по варианту 1. Проходку щитом с грунтовым пригрузом начинают и заканчивают на ст. «Минская», где сооружают монтажную и демонтажную камеры. Разворот щита осуществляют в открытом котловане по месту вентиляционной сбойки в торце ст. «Славянский
226
ст. «Минская»
ст. «Славянский
бульвар»
Г еология песок
Проект, уклон Участки работ 2 1 1 !
Тип обделки Железобетонные блоки Z)H = 6,0 м
Способ работ механизированный комплекс фирмы «Херренкнехт»
Спец, методы ЕРВ-щит Микс-щит
Пикетаж пк 177 ИЗ пк 175+88 пк 166+50 пк 162+50 ПК 161+00
грунт, разраб. 120,05
тыс. м обр. зас 11,96
ж.бетон, сборн. 14,95
тыс. м монол. 15,12
чугун тыс.т 0,535
металл тыс.т 0,22
I кв
Рис. 7.4. График строительства перегонного тоннеля между станциями «Минская» и «Славянский бульвар» Московского метрополитена
Наименование работы Условные обозначения
Подготовительные работы
Сооружение монтаж, камер И
Монтаж горного комплексе 1
Монтаж щитового комплекса О
Проходка тоннеля —
Переоборуд-е комплекса □
Сооруж-е разворот, камеры 1X1
Перемет, щита в др. тоннель □
Перемонтаж тележки комплекса 0
Демонтаж щитового комплекса 1
бульвар». Переоборудование комплекса на использование системы нагнетания пены и без нее производят в тоннеле при подходе и выходе с участка слабых водонасыщенных грунтов. Системы вентиляции, водоотлива и транспортирования грунта аналогичны указанным в варианте 1.
Скорость проходки (200 м/мес.) была принята по справочным материалам фирмы-изготовителя комплекса. В графике работ учтены: время монтажа комплекса 2 мес., остановка на переоборудования комплекса для проходки с системой нагнетания пены и без нее 3 нед., перемещение щита и технологических тележек на ось второго тоннеля в котловане ст. «Славянский бульвар» 1 мес. Продолжительность проходки тоннелей составила 23 мес., общий срок строительства с учетом подготовительных и заключительных работ 4 года 7 мес.
Расчетные стоимости строительства тоннелей по вариантам были определены на основании объемов работ и нормативных документов: Единых районных единичных расценок (ЕРЕР), сборников сметных цен на монтаж оборудования, прейскурантов оптовых цен на материалы и оборудование, справочных материалов фирм-изготовителей и др.
Наклад ные расходы на строительные, монтажные и специальные работы приняты в долях от прямых сметных затрат: на тоннельные, строительные работы закрытого способа работ, монтаж металлоконструкций 27,1 %; на строительные работы открытого способа работ 17,0 %; к заработной плате на монтаж оборудования 80,0 %; к заработной плате на монтаж электрооборудования 87,0 %; плановые накопления к сметным прямым затратам и накладным расходам 8 %. Непредвиденные работы и затраты учтены в размере 14 %.
Основные технико-экономические показатели по сравниваемым вариантам приведены в табл. 7.2.
При этом расстояние между станциями (1633 м), строительная длина участка (1338 м) и максимальный уклон (43 %о) для всех трех вариантов приняты одинаковыми.
При сравнении вариантов учитывались следующие обстоятельства.
1. Подготовительные работы по варианту 1 включают в себя освоение территории для производства замораживания и водопонижения, что требует вырубки зеленых насаждений, закрытия движения по Староможайскому шоссе, ликвидации автозаправочной станции. Затраты на проведение данных мероприятий предусмотрены в расчете стоимости строительства.
2. Для выполнения сплошного замораживания требуется значительный объем труб и других материалов, преимущественно оставляемых в грунте.
3. Уровень механизации разработки замороженных грунтов отбойными молотками очень низкий, а условия труда тяжелые.
4. Использование механизированных комплексов со щитами с закрытой грудью, изолированной рабочей зоной и пригрузом забоя позволяет значи-
Таблица 7.2
Основные технико-экономические показатели строительства тоннелей
Наименование показателей Единица измерения Количество по вариантам
1 2 3
Объемы основных работ: разработка грунта тыс. м3 114,18 120,95 117,18
обратная засыпка то же 10,96 11,96 11,96
сборный бетон и железобетон « 0,85 14,95 14,95
монолитный бетон и железобетон « 14,92 15,12 14,92
чугунные тюбинги тыс. т 23,41 0,535 0,30
металлопрокат (двутавр, швел леры, трубы) то же 2,39 0,22 0,20
Стоимость строительства в це тыс. 40 022,6 13 917,6 9 710,9
нах 1984 г., руб.
в т.ч.: строительные работы то же 38 326,2 8 428,6 5 856,0
монтажные работы « 773,8
оборудование « 922,6 5 489,1 3 854,9
Продолжительность строитель ства участка, лет 7 4,5 4,6
в т.ч. перегонных тоннелей мес. 51 23 23
тельно сократить объемы работ подготовительного периода, улучшить условия труда рабочих, обеспечить высокое качество работ в сложных гидрогеологических условиях, исключить необходимость перекладки городских подземных коммуникаций в связи с обеспечением безосадочности проходки.
5. Продолжительность проходческих работ при использовании механизированных комплексов почти в 2 раза меньше, чем при использовании немеханизированных щитов (23 мес. и 51 мес. соответственно), что позволяет сократить в целом срок строительства переходного участка с 7 лет до 4,5 лет.
На основании изложенного для проектной проработки и строительства перегонных тоннелей переходного участка принят вариант 3 с применением механизированного комплекса как технически и экономически наиболее целесообразный для данных условий.
В экстремальных ситуациях, возникающих по различным причинам, в том числе при значительных объемах работ и сжатых сроках строительства, возможно комплексное использование различных тоннелепроходческих машин одновременно. Такая ситуация сложилась, в частности, в 2004 г. в Казани [29], когда для своевременного ввода метрополитена в эксплуатацию к 30 августа 2005 г. (приуроченному к дню празднования 1000-летия Казани) возникла необходимость в привлечении дополнительного оборудования для проходки тоннелей и новых организаций для строительства (рис. 7.5).
Рис. 7.5. Схема проходки перегонных тоннелей пускового участка первой линии Казанского метрополитена
7.3. Строительство перегонных тоннелей с обделкой из монолитно-прессованного бетона
Мировая практика возведения монолитных бетонных обделок за тоннелепроходческим щитом имела место в 70—90-е гг. в Германии, Японии и Франции при строительстве гидротехнических тоннелей, тоннелей метрополитена и коллекторов. Общий объем строительства исчислялся несколькими километрами. Работы проводились в слабо обводненных грунтах. Для этого этапа возведения монолитно-прессованных обделок характерно существенное понижение прессующего давления (до 1,5—3 МПа). При передвижке щит опирается на секционную опалубку. В ряде случаев использовали фибробетон и армирование обделки продольными стержнями. Водонепроницаемость обделки достигалась путем устройства внутренней гидроизоляции, поддерживаемой изнутри железобетонной рубашкой [47].
В 1997 г. в России была предложена новая непрерывная технология возведения монолитных бетонных обделок тоннелей с удлиненным рабочим циклом, предполагающая круглосуточное сооружение тоннеля в течение 2—3 недель или более с последующими профилактическими работами (2—3 суток). При этом была разработана также принципиально новая схема технологического комплекса (рис. 7.6).
Обделка возводится в формующей опалубке 4, консольно прикрепленной к корпусу щита 1 при помощи жестких радиальных ребер 2. Между хвостовой оболочкой щита и торцевой опалубкой 3 имеется кольцевой зазор шириной около 10 мм, через который проходит тонкая эластичная оболочка, образующая наружную гидроизоляцию тоннеля. Формующая опалубка функционально разделена на три характерных участка: участок форкамеры S, участок вакуум-камеры 9, участок предварительного твердения бетона 10. Форкамера представляет собой цилиндрическую полость, снаружи ограниченную хвостовой оболочкой щита, с внутренней стороны — формующей опалубкой и спереди — торцевой опалубкой, несущей по наружной кромке гибкий самоподвижный бандаж. Вакуум-камера, оснащенная сменными фильтрами, служит для отсоса из бетонной смеси избыточной воды затворения. При сооружении тоннеля в необводнен-
Рис. 7.6. Технологическая схема непрерывного возведения монолитной бетонной обделки:
а — общая схема технологического комплекса; 6 — конструктивная схема; в — формующая скользящая опалубка С 1100; S 1000 — щит; С 1000 — опалубка в сборе; С 1200 — самодвижущаяся упорно-поддерживающая опалубка; 1 — оболочка щита; 2 — радиальные ребра; 3 — торцевая опалубка; 4 — формующая опалубка; 5 — щитовые домкраты; w 6 — гидроизоляционная камера; 7 — опалубка С 1200; 8 — форкамера опалубки С 1100; 9 — вакуум-камера с фильтром С 1120; 10 — участок предварительного твердения бетона С 1130; 11 — домкрат Д 1000
ных грунтах схема удаления воды из смеси, а также конструкция технологического комплекса существенно упрощается.
Внедрение данной технологии в производство позволит: обеспечить высокие скорости проходки; снизить (вдвое по сравнению с высокоточной сборной обделкой) стоимость строительства; обеспечить бесшовность и водонепроницаемость обделки; исключить перепрес-совку бетона; обеспечить безосадочность проходки и возможность полной автоматизации всего производственного процесса.
В отличие от отечественных разработок, зарубежные фирмы для получения стабильно высокого качества бетонной крепи стремятся обеспечить точное регулирование давления прессования. Поэтому во всех предлагаемых ими технологических схемах щит перемещается с упором гидроцилиндрами в торец многосекционной колонны сборно-разборной или переставной опалубки, тогда как прессование бетона обеспечивает специальная группа регулируемых гидроцилиндров.
Например, фирма «Хохтиф» (ФРГ) разработала метод бетонирования фибробетонной обделки с непрерывным прессованием смеси при постоянном давлении. Метод успешно применен в ФРГ, Франции и Японии при сооружении различных выработок общей длиной 13 км, где работали щиты с различными исполнительными органами гидравлической или грунтовой пригрузки забоя. Максимальная скорость сооружения тоннеля диаметром 6,5 м в слабых грунтах составила (на Лионском метрополитене) 280 м/мес., а в мягких скальных грунтах в Японии при проходке тоннеля диаметром 8,4 м — 340 м/мес.
7.4. Строительство тоннелей с помощью гидрощитов
Строительство тоннелей в водонасыщенных сыпучих грунтах щитовым комлексом фирмы «Вайсс унд Фрейтаг». Одной из важнейших и трудноразрешимых задач при строительстве перегонных тоннелей в водонасыщенных грунтах является обеспечение их водонепроницаемости. До недавнего времени эта задача решалась с помощью двухслойной обделки с гидроизоляцией. Прогресс в технологии изготовления и улучшения качества уплотнителей швов позволил отказаться от одной из двух изолирующих оболочек, что существенно сократило сроки и стоимость строительства.
Учитывая высокие конструктивно-технологические показатели новой водонепроницаемой обделки фирмы «Вайсс унд Фрейтаг», московские метростроители на участке между станциями «Шарикоподшипниковская» и «Кожуховская» Люблинской линии на переходной зоне с глубокого заложения закрытого способа работ на мелкое открытого организовали опытный участок строительства тоннелей со сборной обделкой из железобетонных блоков сплошного прямоугольного сечения с винтовыми наклонными связями в продольных стыках и связями из стальных шпилек в стыках между кольцами.
Проходческий комплекс фирм «Вайсс унд Фрейтаг» и «Херрен-кнехт», изготовленный для Мосметростроя, приведен на рис. 2.22 работы [98].
Принцип действия и область применения комплекса с гидравлическим (тиксотропным) пригрузом забоя описан в п. 3.3 данного пособия. Технология включает в себя подготовительные работы, разработку забоя и работы в призабойной камере; приготовление и контроль качества бентонитовой суспензии; гидротранспорт грунта и режим работы сепарационной установки; ведение щита по трассе; доставку, оснащение и монтаж обделки; лечение трещин и сколов в блоках обделки.
Приготовление тампонажных растворов и нагнетание за обделку; контроль качества работ и производственная безопасность при строительстве тоннеля достаточно подробно освещены во «Временных технических указаниях» [89] и в настоящем пособии не рассматриваются.
Следует, однако, отметить, что существенной составной частью гидрощита является сепарационная установка. От ее качественных и количественных показателей в значительной мере зависит экономический успех щитовой проходки. Основными задачами установки являются: подготовка грунта для транспортировки, складирования и регенерация как можно большего количества бентонита. Сепарационная установка сконструирована двухступенчатой и выполняет свою задачу без всяких проблем. Она рассчитана на среднечасовую производительность 200 м3 смеси при составляющей твердых частиц примерно 40—50 т.
2003 г. начался для фирмы «Херренкнехт АГ» с выдающегося события окончания проходки Лефортовского тоннеля протяженностью 2211 м,
который замкнул 3-е транспортное кольцо Москвы. Тоннель проходит от площади Проломной заставы до Спартаковской площади на глубине 30 35 м. Благодаря применению прогрессивной технологии сооружения тоннелей с использованием уникального тоннелепроходческого комплекса фирмы «Херренкнехт АГ» диаметром 14,2 м (рис. 7.7) были сохранены все исторические памятники на поверхности: заповедник Лефортово, Екатерининский дворец, церковь Петра и Павла, «Вдовьи дома», первый военный госпиталь. 19 февраля 2003 г. проходческий щит с филигранной точностью вышел в демонтажный котлован на ул. Большая Почтовая.
В настоящее время подготовлен проект прокладки части магистрали Москва Балтия на территории Северо-Западного и Западного административных округов Москвы от Московской кольцевой дороги в центр города, со строительством автодорожного тоннеля, совмещенного со Строгинской линией метрополитена [1]. Участок Краснопресненского проспекта намечено сооружать при помощи щита, завершившего проходку Лефортовского автодорожного тоннеля. Два тоннеля пройдут от района пересечения Крылатской и Осенней улиц через территорию Серебряноборского лесничества до транспортной развязки Московской кольцевой дороги с Лыковским проездом. Опыт определил целесообразность ввода магистрали поэтапно, при готовности только одного тоннеля.
Для этого предстоит соорудить сервисный тоннель длиной 1504,3 м, соединенный с основными поперечными транспортными сбойками (рис. 7.8), что позволит выделить в самом тоннеле дополнительное пространство.
Сооружение тоннелей планируется как закрытым способом щитовым комплексом с гидропригузом забоя, так и открытым. Тоннели закрытого способа двухъярусные. В верхнем ярусе каждого из тоннелей, предусмотренном для движения автотранспорта в одном направлении, размещаются три полосы движения с габаритом над проезжей частью 4,5 м. Ширина одной полосы 3,25 м. Нижний ярус отведен для одного пути метрополитена. Расстояние между осями тоннелей от 34,2 до 36 м.
В соответствии с инженерной схемой тоннелей закрытого способа работ через каждые 250 м предусматривается устройство 5 соединительных сбоек штольневого типа шириной 5 10 м и высотой около 9 м. Для их сооружения принят способ опертого свода.
Из сервисного тоннеля производится бурение скважин для последующего проведения цементации грунтового массива, что позволяет практически исключить его деформации.
Внутренний диаметр обделки основных тоннелей закрытого способа работ 12,35 м, наружный 13,75 м. Ее конструкция сборная из высокоточных водонепроницаемых железобетонных блоков. Стыки между ними
Рис. 7.7. ТПМК «Херренкнехт» для Лефортовского тоннеля:
1 — планшайба; 2 — воздушная подушка; 3 — бентонитовая суспензия; 4 — привод; 5 — камнедробилка; 6 — домкраты; 7 — кессонная шлюзовая камера; 8 — цилиндр управления; 9 — блокоукладчик; 10 — транспортер для укладки блоков; 11 — транспортный насос; 12 — транспортный трубопровод; 13 — питающий трубопровод с бентонитом
0 13 750
Сервисный тоннель 0 6000
3250
3500
210012100
в изоляции Зтр 0 108x4 в изоляции
Рис. 7.8. Поперечное сечение совмещенных тоннелей на магистрали Москва—Балтия
тр 0 400 в изоляции
слаботочные кабели
Уровень головки рельса
17 000
Эвакуационный коридор на 1 этап силовые Уровень
кабели
головки рельса
17 000
и в кольце плоские. Усилия между кольцами передаются через систему «шип паз». Для повышения жесткости обделки предусматривается перевязка швов соединительных колец.
Обделка сервисного тоннеля аналогична обделке основных. Ее толщина 350 мм, наружный диаметр 6,0 м, внутренний 5,3 м.
Строительство на участке от ПК 26 + 96,1 до ПК 32 + 16,0 (рис. 7.9) предусмотрено открытым способом. Разрабатываемый грунт (мелкий и средней крупности песок) пригоден для обратной засыпки и временно складируется на территории открытого способа работ.
Сооружение предполагается вести в две очереди. В первую очередь входит участок от ПК 28 + 50 до ПК 32 + 16, расположенный вне базовой строительной площадки закрытого способа работ. Крепление котлована глубиной от 5 до 15 м предусмотрено трубами диаметром 630 х 8 мм с деревянной затяжкой и анкерами (1 3 яруса). Во вторую очередь сооружается участок тоннеля от ПК 26 + 96,1 до ПК 28 + 50, находящийся на территории базовой строительной площадки закрытого способа работ. Его строительство ведется в увязке с проходкой тоннелей закрытым способом.
Сооружение нижнего уровня тоннелей шириной около 5,5 м, предназначенного для метропоездов, запроектировано в котлованах с креплением металлическими трубами диаметром 630 мм и толщиной стенки 10 мм, устанавливаемыми со дна котлована. С целью обеспечения возможности в дальнейшем выполнить примыкание отдельно пройденных перегонных тоннелей метрополитена, по левой стороне в зоне примыкания котлован устраивается с уширением.
Строительство тоннелей с помощью щита для смешанных грунтов. Очень дорогой и малопроизводительной является проходка тоннелей в смешанных грунтах: глинах и водонасыщенных песках. В сыпучих грунтах проходка производится с гидравлическим пригрузом лба забоя, а связные грунты требуют наличия дорогой сепарационной установки, которая существенно увеличивает стоимость строительства. Для сооружения тоннелей в подобных изменяющихся инженерно-геологических условиях разработан специальный проходческий агрегат щит для смешанных грунтов.
Такой щит должен иметь возможность работы: с гидропригрузом лба забоя, поддержкой лба забоя сжатым воздухом или грунтом. При этом базовая машина должна быть одинаковой для всех трех способов применения, а именно, одинаковыми должны быть конструкция щита, ротор с редуктором, подъемник и прицеп-роспуск. Переналадка щита на любой из указанных способов должна выполняться с незначительными затратами, в том числе и под землей.
Открытый способ £-746 м
rt vfi
Закрытый способ L-1506 м
Открытый способ
то
ю
Ф
L-624 м
£
и
монтажная камера
И
П
с
Троице-Лыково
&
К rt
е-
X
5J
О С
Ф Ф
Ф
90,00
НПК £-П0
15/188
10
25/198
35
30
3 с
уровень проезжей части Крылатской улицы
+ £
ур.хечь грунтовых вод
Насыпные грунта: лески, суоми, суглинки с щебнем хирплчж, бетона, нсспсяишиоса
.4лгпо1нллвм№волкапВ|ТНКховы« Юрские
пески риней гр у п нести, глествын твердые
грдвелистне с шумами., с прослоями сулесеЯ и суглинков, княжны* и одотыешцениме
20/193
Условные обозначения Юрсхве глины тутоплвстнчные к Г^*»] Меловые лески и супеси водонв-____полутвердые сьпцснныс, суглинки мягкоплао тинные с прослоями супесей
i>
глины полутвердые, реже Юрские суглинки тутолласткчтге к пел у твердые, супеси водокмышекныа
Юмеяноугодывк иииспии! средней п~^], «жтолопегя прочюстп в прочные, трепщвповатае LiJ а»тадорсга и сильно трещишюватые. мукиюсиые
П Каменноугольные глины твердые и мергеля глннлстыс
Зона метрополитена
Рис. 7.9. Продольный п
вТгп
иль тоннельного участка с подходами, совмещенными со Строгинской линией Московского метрополитена
В качестве примера применения подобного щита на метрополитенах России можно привести проходку правого перегонного тоннеля через размыв между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества» в Санкт-Петербурге, начавшуюся в феврале 2002 г. [37]. Проходка осуществлялась с применением механизированного проходческого комплекса фирмы «Алпине Полишилд» ПДЦ-740 09/РМ с пригрузом забоя бентонитовой суспензией с воздушной подушкой. Этот комплекс, состоящий из механизированного проходческого щита с гидравлическим приводом, роторным режущим органом, оснащенным резцами и дисковыми шарошками, транспортного моста с технологическим оборудованием, установки для регенерации бентонитового раствора и трубопроводов, предназначен для ведения проходки в водонасыщенных и несвязных гравийно-галечниковых, песчаных и супесчаных грунтах с гидравлическим напором до 0,65 МПа.
Обделка тоннеля наружным диаметром 7,1 м принята клиновидной формы для обеспечения поворота тоннеля в плане и профиле. Средняя ширина кольца 1,4 м. Кольцо состоит из 6 блоков толщиной 35 см, два из которых трапециевидной формы (А1 и Д1) и четыре в форме параллелограмма (Bl, В2, Cl, С2) высокой точности из водонепроницаемого железобетона. Трасса тоннеля имела несколько кривых радиусом от 355 до 620 м и частые переломы профиля, что осложняло ведение щита и вызывало нарушения уплотнений.
Обжатие обделки в продольном направлении осуществлялось щитовыми домкратами с фиксацией обжатия дюбелями «КОНЕКС» и системой горизонтальных стягивающих штанг с натягом 150 кН. Работы по проходке первого обходного тоннеля завершились в мае 2003 г.
Проходка второго обходного тоннеля на участке размыва длиной около 800 м от ст. «Площадь Мужества» до ст. «Лесная», начатая итало-шведским концерном «Импрегило/НЦЦ» 27 августа 2003 г., завершена через три месяца. При этом было принято решение уложить на всем протяжении восстанавливаемого тоннеля укрепляющую подошву продольные металлические балки для устранения клавишного эффекта. Пассажирское движение поездов на этом участке линии открылось 26 июня 2004 г.
7.5. Строительство тоннелей с помощью тоннелепроходческого комплекса фирмы «Ловат»
Основные характеристики комплекса. Несмотря на большое разнообразие моделей и конструкций щитовых комплексов фирмы «Ловат» (рис. 7.10), их принципиальная схема устройства остается практически неизменной.
Ведущей машиной комплекса является щит, состоящий из передней, средней и задней секции (рис. 7.11). Передняя секция щита включает в себя: ротор, «течку», главный подшипник, привод, стабилизаторы и часть резервуара гидравлического масла. Средняя секция щита содержит, в основном, все ходовое гидро- и электрооборудование, блокоукладчик, бурильную разведочную установку, роликовые стабилизаторы, распорные башмаки, панели управления,
«М»
Рис. 7.10. Варианты конструктивного исполнения комплексов фирмы «Ловат» с ленточным (/) и шнековым (2) конвейером
Рис. 7.11. Принципиальная схема ТПК фирмы «Ловат»:
1 узел ротора; 2, 3 и 4 передняя, средняя и задняя секции щита соответственно; 5 первичный конвейер; 6 емкость для раствора; 7 трансформатор; 8 хвостовой конвейер; 9 вентсистема
распорное кольцо, систему передвижения. Здесь же размещен центральный резервуар с гидравлическим маслом.
Задняя секция щита используется как предохранительная обшивка сборочной камеры блоков, чтобы предотвратить непосредственный контакт рабочих с грунтом. В хвосте щита находится также щеточное уплотнение, предохраняющее от попадания в щит раствора в процессе его нагнетания за обделку. Первичный конвейер, служащий для выдачи грунта из ротора, начинается в «течке». Он снабжен шнеками, расположенными по обеим сторонам передней части конвейера, которые помогают разработанному в забое грунту и шламу попасть на ленту конвейера.
Для разгрузки блоковозок и для перемещения железобетонных блоков к месту укладки (блокоукладчику) используется балка транспортировки блоков (гидравлический монорельс).
Тоннелепроходческий комплекс модели МР 222 SE (Казань) фирмы «Ловат» в общем случае может работать в двух режимах — с полуоткрытой или открытой планшайбой и в режиме грунто-пригруза забоя, позволяющего вести работы при давлении воды за щитом до 0,3 МПа.
ТПК с грунтопригрузом использует выбранный грунт для создания давления, уравновешивающего давление грунта и гидростатическое давление в забое впереди ТПК. Для поддержания давления грунтопригруза ТПК оборудован шнековым конвейером и системой кондиционирования грунта, которая модифицирует его параметры, обеспечивая оптимальный контроль давления грунтопригруза в камере ротора. При изменении инженерно-геологических условий шнековый конвейер может заменяться на ленточный, и щит работает в режиме полуоткрытой или открытой планшайбы.
Для минимизации осадок поверхности позади ТПК используется сблокированная система закачки тампонажного раствора, обеспечивающая непрерывное заполнение кольцеобразного зазора между наружным диаметром кольца обделки и поверхностью грунта. Конструкция данной системы разрешает передвижение ТПК вперед только тогда, когда давление в системе закачки тампонажного раствора примерно равно давлению грунтопригруза в камере режущей головки.
ТПК управляется машинистом щита при помощи бортового компьютера, в который заносится программа сооружения перегонного тоннеля.
Комплекс рассчитан на круглосуточную работу в три смены по семь часов, причем одна смена выделяется для проведения ремонтных и профилактических работ. При необходимости дополнительный эксплуатационный уход можно производить и во время рабочих смен, но не более одного часа в каждой смене. Комплекс обслуживает бригада в семь человек: оператор щита, оператор конвейера, оператор блокоукладчика, электрик, три подсобных рабочих.
Подготовительные работы. Монтаж комплекса выполняется в котловане (рис. 7.12). При этом глубина котлована и число ярусов крепления его боковых стен не оказывают существенного влияния на технологию и трудоемкость работ. Однако при этом необходимо соблюдать ряд требований, сводящихся к следующему.
Минимально рекомендуемый зазор между ТПК и нижним ярусом расстрелов должен быть не менее 1,0 м, а расстояние между соседними креплениями боковых стен котлована по всей длине ТПК — не менее 6,0 м. В исключительных случаях эта величина может быть уменьшена до 4,5 м.
Длину котлована следует принимать не менее 85,0 м. Из них 75 м — это длина ТПК, а остальные 10 м предназначаются для разгрузки вагонеток с удаляемым грунтом. До начала врезки ТПК необходимо установить 5 колец обделки и упорную раму. При этом упорная рама должна быть надежно прикреплена к основанию, а все балки расположены по касательной к внутреннему диаметру обделки.
Ложе ТПК должно выдерживать не только его вес, но и все нагрузки на технологические тележки прицепной конструкции комплекса, независимо от конструкции их опор — на колесах (для железобетонной обделки) или на трубчатых опорах (для чугунной обделки).
До начала проходки необходимо установить заднюю опорную раму, а по мере продвижения ТПК вперед опускать и монтировать в монтажной камере защитовые технологические тележки прицепной конструкции с размещенным на них оборудованием.
При необходимости монтажа прицепной конструкции ТПК на всю ее длину до начала проходки конструкция упорной рамы и
242
6. Опускание и монтаж блокоукладчика
7. Опускание и монтаж шнекового конвейера
5. Опускание задней опоры и прикрепление ее к головной
8. Опускание и монтаж
9. Установка опорных частей. Начало проходки. По мере продвижения щита опускаются и монтируются остальные части комплекса
Рис. 7.12. Технологическая схема монтажа ТПК фирмы «Ловат»: а — последовательность монтажа; б — лицевые уплотнители тоннеля
ложа монтажной камеры, расположенного позади упорной рамы, должна быть модифицирована таким образом, чтобы обеспечивать передвижение опоры транспортера блоков, рельсового перехода и технологических тележек прицепной конструкции по поверхности с профилем и высотой, соответствующими внутренней поверхности обделки.
Демонтаж ТПК производится в демонтажной камере длиной не менее 12,0 м (лучше 15 20 м). При врезке ТПК в сильно обводненные и нестабильные грунты применяют лицевые уплотнители тоннеля (см. рис. 7.12, б).
Разработка и погрузка грунта. Одним из основных технологических процессов при проходке тоннелей является разработка грунта в забое с помощью породоразрушающего инструмента — ротора, расположенного в передней части щита. Ротор, состоящий из нескольких частей, приболченных одна к другой, может вращаться по и против часовой стрелки и используется для экскавации и подачи разработанного грунта внутрь щита для его дальнейшего удаления. В зависимости от инженерно-геологических условий в роторе могут использоваться три типа резцов: «шарошки», «риппер» и «спейд». В лобовой части ротора имеются отверстия и поворотные водонепроницаемые створки (затворы), срабатывающие от гидроцилиндров. С их помощью можно регулировать объем поступающего грунта и шлама внутрь щита.
Открывать и закрывать затворы можно одновременно, группами по 3—4 шт. Степень открытия регулируется в зависимости от грунтовых условий: чем больше открыт ротор, тем больше грунта проходит через него.
Для закрепления водонасыщенных и неустойчивых грунтов, вплоть до плывунов, используется пенореагент, который связывает грунт. Инжекционные отверстия системы кондиционирования грунта располагаются по окружности передней секции щита непосредственно позади ротора, в камере режущей головки и вдоль корпуса шнекового конвейера. Пена, впрыскиваемая в извлекаемый грунт, заполняет пространство между частицами грунта и противодействует их слипанию. Это дает двойной эффект: во-первых, частицы грунта смазываются, что уменьшает их трение о компоненты ТПК; во-вторых, пена заполняет воздушные пустоты между частицами грун
та, создавая внутри камеры почти однородную массу, благодаря чему облегчается установление и поддержание сбалансированного давления грунтопригруза.
С помощью ковшей грунт поднимают и укладывают на первичный конвейер в щите. Для регулирования количества укладываемого на конвейер грунта есть дверца (створки) с гидроприводом в загрузочном бункере конвейера.
Транспортировку грунта с дальнейшей погрузкой в вагонетки осуществляют с помощью конвейеров. Первичный ленточный конвейер длиной 9,0 м и шириной 1,2 м размещен внутри щита и поддерживается его структурой. Он легко взаимозаменяем со шнековым конвейером. Вспомогательные операции по транспортировке отработанного грунта из забоя выполняют прицепной конвейер и опорная ферма с расположенным на ней оборудованием. Прицепной конвейер шириной 1,2 м и длиной 52 м состоит из восьми 6-метровых по длине секций, одного ведущего и одного ведомого барабанов.
Для анализа предстоящих грунтовых условий ТПК может оснащаться установкой разведочного бурения.
Транспортировка и монтаж обделки. Железобетонные блоки обделки доставляются к месту разгрузки на блоковозках. Блоки со всех блоковозок поднимают одновременно, затем блоковозки убирают, а блоки опускают на рельсы.
Установленный на полозьях податчик блоков (таль) поднимает и транспортирует по гидравлическому монорельсу лотковый блок к задней секции щита, укладывая его перед кольцом, собранным накануне. Остальные блоки по одному доставляют в зону достигаемости блокоукладчика кольцевого типа.
Каждый блок имеет расположенное в центре тяжести резьбовое отверстие, в которое ввинчивается инвентарный шар, захватываемый блокоукладчиком. В пресс-форме это резьбовое отверстие формуется анкерным болтом, который ввинчивают после схватывания бетонной смеси.
Первый блок обычно устанавливают в лотке, приболчивают к предыдущему кольцу и придавливают щитовыми домкратами. После этого поочередно с левой и правой стороны монтируют по одному блоку, которые соединяют болтами с предыдущим кольцом и с
соседними блоками и также придавливают щитовыми домкратами. Последним монтируют замковый блок, который вдвигают в конический зазор между призамковыми блоками со стороны щита. Блоки удерживаются за счет болтовых соединений и придавливаются щитовыми домкратами к предыдущему кольцу. После выхода за уплотнения задней секции щита все кольцо нагружается снаружи за счет давления тампонажного раствора, причем продольные стыки дополнительно обжимаются на незначительную величину. Продольные стыки между замковым и призамковыми блоками наклонены по отношению к радиальной оси на угол до 4°. Все прочие стыки радиальные.
При монтаже колец обделки каждое новое кольцо прижимается к предыдущему. Радиальные стыки колец при этом обжимаются щитовыми домкратами. При монтаже нового блока давление со стороны щитовых домкратов на остальную часть кольца сохраняется. Таким образом, во время проходки и монтажа колец обеспечивается постоянное придавливание колец обделки в продольном направлении. В радиальном направлении кольцо после выхода за пределы щита нагружается за счет давления тампонажного раствора, а также давления грунта и почвенных вод.
Чтобы обеспечить возможность размещения на внутренней поверхности обделки какого-либо технологического оборудования при последующих монтажных работах, отверстия в теле блока под крепежные детали надо сверлить на глубину не более 20 см, не задевая стальную арматуру блока.
Раствор для первичного нагнетания за обделку тоннеля загружают в растворовозки в монтажной камере на поверхности и подают к транспортному участку, расположенному перед опорной секцией конвейера. Для нагнетания раствора за обделку гидравлически открывается задвижка гильотинного типа, насос начинает качать поступающий через патрубок раствор, находящийся в передней части растворовозки.
Управление и навигация щита. Эти операции щита призваны контролировать и корректировать возможные отклонения щита от трассы тоннеля в плане и профиле.
Основным средством слежения за направлением щита в плане и профиле являются мишени (экраны), установленные в основной
оболочке среднего щита, попадая на которые луч лазера показывает величины этих отклонений.
Кроме того, при управлении по трассе помогают два пузырьковых уровня, расположенных у главного пульта управления. Один из них предназначен для определения закручивания поперечного крена щита вправо или влево по ходу движения, а другой — для определения уклона (вверх или вниз) щита в продольном направлении.
Управление щитом производится с рабочего места оператора. Вся информация о состоянии систем (давление в гидравлических системах, в каждом домкрате, открытие—закрытие створок, смещение щита относительно заданной оси тоннеля, температура, сбои в системе и т.д.) поступает на два компьютера. Один находится непосредственно на щите, и с него ежедневно снимается информация о пройденном участке проходки для последующей обработки специальной программой. Другой компьютер находится в конторе производителя работ (на поверхности).
Продвижение щита по выработке осуществляется с помощью гидроцилиндров (щитовых домкратов), упирающихся в обделку. Для предотвращения закручивания щита и удержания его в проектных осях на щите есть ребристые и роликовые стабилизаторы.
Примеры применения ТПК фирмы «Ловат» на строительстве метрополитенов в России. ТПК фирмы «Ловат» в нашей стране прошли успешные испытания при строительстве тоннелей различного назначения в г. Протвино (тоннели У НК) и на БАМе (Северо-Муйский тоннель).
В метростроении такой комплекс был впервые предложен для строительства переходного участка Строгинской линии Московского метрополитена от ст. «Минская» до ст. «Славянский бульвар» (см. п. 7.2) и впервые применен при проходке перегонных тоннелей в Казани, а затем на Бутовской линии в Москве. В частности, в феврале 2003 г. с помощью ТПК фирмы «Ловат» была завершена проходка левого, а в сентябре этого же года сбойка правого перегонного тоннеля с монтажной камерой первого из 2-километровых тоннелей метро Бутовской линии. Около семи месяцев было затрачено строителями Мосметростроя на эти работы, два месяца из которых ушло на завершение монтажа 90-метрового проходческого комплекса. Монтаж ТПК «Ловат» RME 242 SE осуществлялся по мере его врезки из 40-метровой монтажной камеры в тоннель, с одновременным обустройством горного комплекса, и обкатки в последующие месяцы работы. При этом были достигнуты неплохие результаты. Ежемесячно сооружалось порядка 180 200 м тоннеля при 2-сменной работе без выход
ных дней с соблюдением обязательного 4-часового ежедневного профилактического ремонтного регламента. Средние показатели работы составили 6 8 м в сутки, максимальные 10 м.
В июле 2002 г. ТПК фирмы «Ловат» RME 232 SE серии 14 600 начал проходку правого перегонного тоннеля мини-метро от центра «Москва-Сити» в столице и, пройдя около 2 км под Москвой-рекой, Кутузовским проспектом и Большой Дорогомиловской улицей, вышел на поверхность возле Киевского вокзала, после чего комплекс был развернут навстречу другой машине «Ловат», которая начала проходку левого тоннеля несколько раньше.
На всем протяжении ТПК работал в самых различных инженерно-геологических условиях: начиная с водоносного известняка с прослойками глины и мергеля, с переходом в устойчивые глинистые смешанные грунты (глины с включением полу скальных и скальных грунтов), с водопритоком до 50 м3/ч, и на выходном на поверхность участке в водонасыщенных неустойчивых грунтах (пески, супеси, в том числе с прослойками устойчивых грунтов).
Для ведения ТПК по проектной трассе тоннеля впервые в отечественной практике была использована система навигации (SN-P).
Все оборудование для системы навигации российское.
Данная система навигации намного дешевле зарубежных аналогов и имеет хорошее соотношение цена качество. При отсутствии проходческих работ два компьютера-ноутбука, тахеометр и призмы могут использоваться в других геодезическо-маркшейдерских работах.
ТПК фирмы «Ловат», кроме Москвы и Казани (где в конце 2004 г. работали четыре машины), применяются также в Красноярске и Новосибирске.
Пуск в работу ТПК RMP 242 SE серии 18 400 фирмы «Ловат» на строительстве первой линии Красноярского метрополитена состоялся 5 сентября 2003 г. Трасса тоннелей характеризуется сложными гидрогеологическими условиями, плотным расположением инженерных сетей. Геологическое строение трассы представлено четвертичными (супеси, суглинки, галечники, глины, пески) и девонскими отложенииями, представляющими осадочную толщу разнозернистых песчаников, мергелей, алевролитов, известняков. Машине, получившей имя «Ольга», предстоит пройти трассу пускового комплекса, включающую в себя три станции, общей длиной 7,39 км.
На строительстве перегонного тоннеля между станциями «Маршала Покрышкина» и «Березовая роща» Новосибирского метрополитена в январе 2004 г. пущен в работу ТПК фирмы «Ловат» RME 232 SE серии 14 700 диаметром 5,9 м. Этот город стал шестым в России, где используются комплексы фирмы.
В заключение можно отметить, что в целом применение ТПК с грунтовым пригрузом в сложных гидрогеологических условиях имеет неплохие перспективы сооружения тоннелей при наличии высокопрофессионального персонала, соблюдении технологических регламентов производства работ, выполнении обязательных контрольно-профилактических операций.
7.6. Строительство тоннелей с помощью кессонированных щитов
Основными недостатками щитов с грунтовым и суспензионным пригрузами забоя являются: большая сложность конструкции; высокая стоимость; невозможность непосредственного наблюдения за забоем во время работы щита. Именно поэтому, и особенно после создания и применения в щитах стреловых органов, активизировались усилия по созданию кессонированных щитов, оснащенных герметичной перегородкой с иллюминаторами, с нагнетанием сжатого воздуха только в призабойную камеру.
Первый в СНГ кессонированный щит был изготовлен в декабре 2001 г. по заказу Киевского метростроя на заводе «Большевик» в Киеве. Тоннелепроходческий комплекс КТ-6,2 А24 позволяет сооружать тоннели в плывунах без присутствия людей в призабойной зоне. Комплекс с пневмопригрузом включает в себя щит диаметром 6,2 м, передняя часть которого отделена от остального тоннеля герметичной диафрагмой. Грунт в забое разрушается телескопическим экскаваторным органом, усилие на кромке ковша которого составляет 60 кН, ход телескопической стрелы — 1600 мм.
При проходке тоннелей в неустойчивых водонасыщенных грунтах в призабойную зону щита подается сжатый воздух. Для уменьшения его потерь предусмотрена возможность нанесения на поверхность забоя бентонитовой суспензии или пенообразующего раствора. Воздух к комплексу поступает от двух компрессоров, расположенных на поверхности. Для создания аварийного запаса воздуха на комплексе установлены два ресивера емкостью 3 м3 каждый.
Разрушенная порода удаляется из забойной зоны шнековым конвейером с регулируемой скоростью вращения шнека и подвижным шибером, позволяющим полностью герметизировать конвейер.
Далее порода транспортируется по комплексу ленточным конвейером и загружается в вагонетки.
Для выхода обслуживающего персонала в призабойную зону при проходке с пневмопригрузом в щите предусмотрен шлюз. Все это позволяет вести работы при гидростатическом давлении воды в забое до 0,3 МПа. При этом обслуживающий персонал находится вне зоны повышенного давления и работает при нормальном барометрическом давлении. Кроме того, дополнительно в ножевом кольце щита установлены две забойные перегородки, что дает возможность при проходке в породах естественной влажности не использовать сжатый воздух и увеличить жесткость корпуса щита.
Машина перемещается с помощью 20 щитовых домкратов диаметром 250 мм и с ходом штока 1200 мм, которые при максимальном давлении 32 МПа обеспечивают получение суммарного напорного усилия до 30 МН. При рабочей подаче щита гидроцилиндры разделены на четыре группы, давление в каждой из которых может регулироваться независимо. В процессе установки и обделки каждый щитовой домкрат управляется индивидуально. Для облегчения управления оболочка соединена со щитом шарнирно. Она снабжена хвостовым уплотнением, герметизирующим зазор между оболочкой и смонтированным кольцом обделки.
Обделка тоннеля наружным диаметром 6 м из высокоточных бетонных блоков с резиновыми уплотнениями монтируется двухрычажным укладчиком шагающего типа. С ним соединены две платформы. На укладчике блоков и платформах расположено электро-и гидрооборудование. Все основные операции по сооружению тоннеля механизированы.
Комплексы с пневмопригрузом и экскаваторным органом (а именно к этому типу относится КТ-6,2 А24) имеют производительность несколько ниже, чем роторные с гидравлическим или грунтовым пригрузом. Однако они легче, проще по конструкции, дешевле, имеют гораздо более широкую область применения и могут эффективно использоваться, когда грунты по трассе тоннеля изменяются от песков с водой и включениями гальки до супесей, суглинков и плотных глин. К тому же комплекс КТ-6,2 А24 без перемонтажа может работать как с пригрузом (в плывунах), так и без пригруза (в грунтах естественной влажности).
Новые трассы метрополитена в Киеве имеют очень сложную геологию, и комплекс создавался именно для таких условий. Первый тоннелепроходческий комплекс КТ-6,2 А24 используется на строительстве линии метро от ст. «Лыбедская» в сторону Выставочного центра.
В настоящее время создание в России экскаваторных щитов не является особо сложной задачей. Организациями Мосинжстроя уже накоплен значительный опыт создания и применения экскаваторных щитов, в том числе с поворотно-подвесными забойными плитами.
7.7. Строительство тоннелей в скальных грунтах щитовым комплексом фирмы «Вирт»
После пуска в эксплуатацию первых 6-ти станций I линии Екатеринбургского метрополитена планировалось возвести за четыре года ст. «Геологическая» с пунктом оборота составов и 1,3 км перегонных тоннелей в двухпутном исчислении. Буровзрывной способ, обеспечивающий средние скорости проходки тоннелей 40 50 м/мес., не позволял осуществить строительство в намеченные сроки, что потребовало внедрения высокопроизводительных машин, механизмов и современных технологий [24].
С этой целью в 1995 г. был подписан лизинговый контракт на поставку с БАМа тоннелепроходческой машины западногерманской фирмы «Вирт».
С июня 1996 г. по апрель 1998 г. здесь было пройдено 2200 м тоннеля при средней скорости 100 м/мес. (максимальная 157 м/мес.) в сложных горно-геологических условиях, обусловленных широким диапозоном грунтов как по коэффициенту крепости — от 0,8 до 2,9, так и по устойчивости — от весьма неустойчивых до вполне устойчивых.
Монтаж чугунных и железобетонных конструкций обеспечивался укладчиком, имеющим две независимые гидравлические телескопические руки. Первичное нагнетание раствора за обделку осуществлялось бетононасосом производительностью 53 м3/ч с максимальным давлением 0,6 МПа. Раствор по тоннелю доставлялся миксером емкостью 3 м3.
Для своевременной отгрузки породы были применены два ленточных конвейера общей длиной 82 м. Однако применяемое оборудование для транспортировки грунта (вагоны вместимостью 1,4 м3, электровозы АРП-10 и двухклетьевой шахтный подъем) зачастую приводило к простою щита во время разработки забоя, что не позволило выйти на номинальную скорость проходки 250—300 м/мес.
Первый российский опыт применения в скальных грунтах тоннелепроходческой машины при строительстве перегонного тоннеля в Екатеринбурге показал неоспоримое преимущество механизированной разработки грунта перед буровзрывным способом. Однако при этом были отмечены некоторые негативные моменты, требующие своего разрешения при дальнейшем освоении ТПК фирмы «Вирт» в практике отечественного метростроения, в том числе:
• без перехода к более мощным дизельным локомотивам или электровозам и вагонам большей вместимости проблему транспортировки грунта не решить;
• необходимо смонтировать в хвостовой оболочке щита современное торовое устройство, которое обеспечит первичное нагнетание раствора за каждое смонтированное кольцо, особенно при проходке в слабых неустойчивых грунтах;
• необходимо восстановить дозирующее устройство выпуска породы для предотвращения вывалообразования, имевшего место на контакте обводненного скального грунта и глины в районе ст. «Бажовская»;
• в процессе ведения работ следует предусмотреть замену шарошек на резцы в зависимости от чередования скальных и глинистых грунтов по трассе будущего тоннеля.
При строительстве Киевского метрополитена на участке от ст. «Святошино» до ст. «Академгородок» в сложных инженерногеологических условиях было принято решение о применении механизированных комплексов, которые могут работать на небольшой глубине (4—8 м).
В связи с тем, что в странах СНГ подобные комплексы не изготовлялись, был объявлен тендер на их закупку в дальнем зарубежье [40]. Из представленных пяти предложений западных фирм на поставку оборудования были выбраны комплексы фирмы «Вирт» (Германия), которая предложила их по более низким ценам. Масса самых тяжелых неразборных узлов комплексов составляла менее 20 т,
что позволило при работе использовать грузоподъемную технику, имеющуюся в Киевметрострое. В дальнейшем предусмотрено их использование на трассах метрополитена глубокого заложения с предварительным сооружением стволов диаметром 10 м.
Формы для высокоточной железобетонной обделки диаметром 5,6 м с резиновыми уплотнителями запроектировал Ясиноватский проектный институт «Комплекс» по образцам, предоставленным немецкой фирмой.
Комбинат производственных предприятий ОАО «Киевметро-строй» освоил производство железобетонных блоков в необходимом количестве, в требуемые сроки и с высоким качеством.
Два приобретенных щитовых комплекса были смонтированы в открытых котлованах в кратчайшие сроки. В сборке этих комплексов участвовали и немецкие специалисты. Они обучали киевских метростроителей работе с комплексами непосредственно на участках.
Первый комплекс начал работу в феврале 2002 г. и закончил проходку левого перегонного тоннеля за 13 месяцев, в марте 2003 г. Средние темпы проходки составили 82 м/мес., максимальные — 182 м/мес. Второй щитовой комплекс начал проходку правого перегонного тоннеля в марте 2002 г. с противоположной стороны (от сооружаемой ст. «Житомирская»). Проходка была осуществлена за 9 месяцев и закончилась в ноябре 2002 г. Средняя скорость составила 120 м/мес., максимальная — 180 м/мес.
Высокоточная железобетонная обделка с резиновым уплотнением монтировалась при помощи кольцевого блокоукладчика. При выходе обделки из-под кольцевой оболочки щита сразу производилось нагнетание тампонажного раствора за обделку.
Щит передвигался с помощью 18 гидроцилиндров, которые имеют ход штока 1400 мм.
Для определения положения комплексов «Вирт» в подземном пространстве внедрена в производство маркшейдерская технология — лазерные теодолиты «ТОПСОН ДТ-102 Л», которые дали возможность быстро и с необходимой точностью определять и корректировать положение комплексов в плане и профиле.
Тоннелепроходческие комплексы фирмы «Вирт» показали себя как производительная и надежная техника. Благодаря их
использованию сроки строительства данного участка сократились почти в 2 раза.
Следует заметить также, что Казметрострой, занимающийся строительством метрополитена в Казани, заказал щит у фирмы «НФМ Технологиес», входящей в группу «Вирт».
Тоннелепроходческий щит с грунтовым пригрузом забоя пройдет 1790 м двухочкового тоннеля первой, уже сооружаемой линии метро (см. рис. 7.5). Грунты здесь в основном состоят из песков и глин и имеют горное давление 0,3 МПа.
На своем заводе в Ле-Крезо (Франция) фирма «НФМ Технологиес» модифицирует данный ТПК с грунтовым пригрузом забоя и инъецированием пены, ранее использованный при проходке тоннелей метро в Копенгагене (Дания). Щит будет приспособлен к условиям работы в Казани. Его оснастят новым рабочим органом диаметром 5,89 м (изначально диаметр был 5,71). Масса машины около 650 т.
Контрольные вопросы к главе 7
1. В чем заключаются основные принципы организации и технологии строительства перегонных тоннелей?
2. Как осуществляется выбор оптимального варианта строительства перегонных тоннелей?
3. В чем состоит особенность строительства тоннелей с обделкой из монолитно-прессованного бетона?
4. Что заложено в основу работы гидрощитов?
5. Назовите основные характеристики ТПК фирмы «Ловат».
6. В чем заключается принцип действия кессонированных щитов?
7. Какими особенностями обладают щитовые комплексы фирмы «Вирт»?
Глава 8. СТРОИТЕЛЬСТВО ТРЕХСВОДЧАТЫХ СТАНЦИЙ
8.1. Общие положения
Технология и последовательность строительства станций закрытого способа работ должны обеспечивать минимальные подвижки грунтового массива, просадки кровли выработок и осадки земной поверхности, опасные для зданий и сооружений, а также подземных коммуникаций в зоне станционных сооружений. Раскрываемые в процессе строительства подземные выработки должны, при необходимости, закрепляться временной крепью с плотной забутовкой пустот между элементами крепи и грунтом в соответствии с паспортом крепления [6; 15, ч. 2; 39; 43, гл. IX; 93, гл. 34; 97; 101, гл. 5; 105; 110; 111, гл. 15].
По мере устройства постоянной обделки элементы деревянной крепи должны удаляться. Оставлять их за обделкой допускается в случае защемления или при опасности вывалов грунта. Разработка и уборка грунта должны быть механизированными. При невозможности использования механизированных щитов, комбайнов и других машин разработку нескальных грунтов допускается производить ручным механизированным инструментом, скальных грунтов — буровзрывным способом.
Разработка грунта буровзрывным способом осуществляется по паспорту буровзрывных работ (БВР), утвержденному главным инженером строительной организации, как правило, с использованием метода контурного взрывания. Переборы профиля выработки при механизированной разработке грунтов, не требующих оставления элементов временной крепи за обделкой, не должны превышать 50 мм.
В процессе проходки необходимо вести систематические визуальные наблюдения за соответствием фактических инженерно-геологических условий проектным данным, за изменениями мощности напластований и трещиноватости грунтов, а также притока воды.
Результаты наблюдений заносят в журнал производства горных работ; о замеченных отклонениях ставят в известность проектную организацию и заказчика.
Бетонирование монолитной обделки тоннелей, сооружаемых горным способом сплошным забоем или по частям, должно вестись согласно СНиП 3.03.01-87 [80]. При этом поверхность монолитной обделки после распалубки не должна требовать дополнительной обработки.
Сборную обделку монтируют с помощью механических укладчиков, укладывая элементы обделки поочередно с каждой стороны от лоткового блока. Монтаж обделки при помощи гибкого такелажа и лебедок допускается при строительстве при-тоннельных сооружений, околоствольных дворов, монтажных и демонтажных камер и других коротких участков подземных сооружений.
Пустоты за сборной обделкой тампонируют нагнетанием цементно-песчаного раствора с улучшающими его свойства добавками в каждое уложенное кольцо (при щитовой проходке — после схода оболочки щита с собранного кольца). Перед нагнетанием раствора зазоры между торцевой частью собранной обделки и грунтом или оболочкой щита заполняют уплотняющим материалом (при щитовой проходке — с использованием кольцевого уплотнения), а швы между элементами обделки тщательно конопатят. В устойчивых грунтах при наличии болтовых связей между элементами обделки нагнетание выше горизонтального диаметра допускается производить с отставанием, но не более чем на три кольца. В случае инъекционного закрепления грунтов использование химических веществ, загрязняющих грунтовые воды, не допускается.
Нагнетание за чугунную обделку производят до чеканки швов при давлении до 1 МПа, за железобетонную — после заделки швов чеканочными материалами при давлении не более 0,6 МПа. Кроме первичного, следует проводить также контрольное нагнетание за обделку цементными или глиноцементными растворами.
При производстве работ по нагнетанию за сборные обделки следует выполнять требования к материалам и составам растворов, качеству работ и др. согласно ВСН 130-92 [11].
8.2. Подготовительные работы
До начала основных работ по возведению станции выполняют комплекс подготовительных работ: проходку ствола, сооружение околоствольного двора, проходку подходных выработок, сооружение камер для монтажа (демонтажа) тоннелепроходческого оборудования [105, п. 21.6].
При сооружении тоннелей щитовым способом монтажные камеры располагают в начале станционного тоннеля. В зависимости от положения камеры относительно продольной оси станции камеры подразделяют на продольные (их ось совпадает с осью станции) и поперечные (их ось перпендикулярна оси станции). Конструктивные размеры таких камер приведены в [39, рис. 77—80].
На пилонных станциях наибольшее распространение получили камеры продольного типа с обделкой из монолитного бетона (при f >1,5) или чугунных тюбингов (при f < 1,5).
Камера для щита с наружным диаметром £>н = 9,5 м имеет внутренний диаметр 11,0 м и длину в свету 6,0 м. При обделке тоннеля с DH = 8,5 м длина камеры остается неизменной, а ее внутренний диаметр уменьшается до 10,0 м. В щитовых камерах монтируют или демонтируют как станционные, так и перегонные щиты. Для вывода этих щитов на трассу в торцевых стенах камеры устраивают проемы, закрепляемые временно кирпичной или какой-либо другой кладкой.
Для монтажа щитов в камере устраивают бетонный лоток толщиной 40—50 см с втопленными в него рельсами с целью обеспечения правильного положения щита при сборке и последующего выдвижения. Несколько отличается от рассмотренной конструкция камеры для монтажа щитов при проходке среднего тоннеля [39, рис. 78].
При демонтаже перегонных щитов в устойчивых грунтах иногда обходятся без демонтажных камер. В этих случаях впереди щита разрабатывают калотту и бетонируют свод, опирающийся на грунты, под которым вводят щит для его демонтажа. Готовность демонтажной камеры и быстрая разборка щита имеют большое значение при сооружении станционных тоннелей, длина которых, как известно, относительно небольшая (104 162 м).
Камеры сооружаются поочередно с учетом того, что близкое взаимное расположение тоннелей при одновременной проходке выработок может вызвать увеличение горного давления, нарушение плотности грунтов в кровле забоя и значительное увеличение притока воды в выработку. Проходку близлежащей выработки можно начинать только после возведения тоннельной обделки соседней выработки, нагнетания за нее раствора и закрепления ее торцевых стен.
Щитовые камеры поперечного типа применяют, когда к торцу станции примыкают все три станционных тоннеля. В этом случае необходимость возведения самостоятельных щитовых камер для каждого тоннеля оказывается нерациональной; более целесообразным решением становится сооружение одной щитовой камеры поперечного типа для трех тоннелей [39, рис. 79, 80]. Поперечная камера позволяет устраивать примыкание эскалаторных тоннелей к станции в плане под любым углом, что весьма облегчает горизонтальную компоновку всего станционного узла в густо застроенных районах города.
Проходку камер ведут в большинстве случаев методом опертого свода. При раскрытии выработок особое внимание следует уделять надежности крепления, тщательности подклинки лонгарин и штен-деров калотты. Перед началом монтажа щита и укладчика, после полного раскрытия выработки и возведения обделки, тщательно закрепляют обе торцевые стены и сразу же их бетонируют, оставляя проход в месте расположения нижней штольни.
Учитывая большую трудоемкость работ и значительную стоимость щитовых камер, при благоприятных инженерно-геологических условиях стремятся избежать их устройства, особенно в средних укороченных станционных тоннелях, ведя проходку горным способом с раскрытием на полный профиль и монтажом обделки укладчиком без применения щита [39, рис. 81]. Это позволяет сократить сроки и снизить стоимость строительства.
В общем комплексе работ по постройке станции очень важны быстрый оборот щита для сооружения параллельных тоннелей, а также сама готовность построенного тоннеля. Поэтому при сооружении станционных тоннелей от ствола прокладывают подходные выработки к началу и концу станции для постройки щитовых монтажных и демонтажных камер. В отдельных случаях строят одну
подходную выработку к монтажной камере, затем до начала проходки станционного тоннеля проходят передовую штольню для сооружения демонтажной камеры. В этом случае лоток штольни бетонируют и используют как направляющий ходок для ведения щита. Не исключается и третий вариант, когда сооружается только монтажная камера, а затем, после окончания проходки тоннеля, щит останавливают и перед ним горным способом сооружают демонтажную камеру, в которую затем вводят агрегат. Однако этот способ связан с длительным простоем щита, связанным с работами по возведению демонтажной камеры.
Одним из наиболее сложных видов работ при строительстве метрополитена закрытым способом является открытие фронта работ, связанное с необходимостью перехода от проходки вертикальных выработок к горизонтальным, сооружением новой выработки под углом к существующей и т.п. Такие работы в большинстве случаев ведут горным способом, предполагающим проходку передовых штолен, пробивку фурнелей, разработку калотты до проектного очертания будущего свода выработки, раскрытие на деревянном креплении полного сечения выработки с последующим монтажом так называемых прорезных колец из сборных элементов, как правило, чугунных тюбингов.
Наряду с чрезвычайно высокой трудоемкостью таких работ, выполняемых вручную, весьма остро стоит вопрос обеспечения их безопасности, особенно в нарушенных грунтах. Анализ альтернативных решений показал, что можно выполнять рассечки с помощью прорезных колец по измененным технологиям, обеспечивающим снижение трудоемкости и повышение безопасности.
Например, при сооружении камер для станционных щитов из тюбингов в грунтах III—V категорий (суглинки, глины, слабые известняки) сначала проходят подходную выработку и сооружают пилот-тоннель. Из него по ярусам возводят торцевую стену с проемом для перегонного тоннеля. Затем на базе пилот-тоннеля разрабатывают профиль и монтируют два или три прорезных кольца камеры, и на их основе сооружают остальные кольца камеры [101, рис. 1.70, 1.72]. При этом в зависимости от геологических условий после постройки пилот-тоннеля может сооружаться вначале камера, а затем — торцевая стена.
8.3. Проходка станционных тоннелей
Конструктивные особенности станций пилонного и колонного типов предопределяют определенные различия в проходке их станционных тоннелей. В комплекс сооружений станции пилонного типа входят три параллельных тоннеля замкнутого очертания, связанные между собой проходами. К боковым путевым тоннелям станции примыкают перегонные, имеющие меньший диаметр, что вызывает необходимость устройства торцевых железобетонных стен в месте их сопряжения. В связи с тем, что общее обнажение выработок станции составляет по ширине более 30 м при высоте 8,5 9,5 м, необходимо соблюдать исключительную осторожность при производстве работ во избежание осадок поверхности и нарушений целостности наземных зданий и сооружений.
Строительство тоннелей трехсводчатых станций ведут последовательной проходкой. В неустойчивых грунтах в первую очередь ведут проходку путевых станционных тоннелей, а затем — среднего. Проходку второго по времени бокового тоннеля осуществляют с отставанием не менее 30 м относительно первого, а среднего — не менее 50 м относительно второго. Это делают во избежание односторонней деформации тоннеля при несимметричной статической работе обделки.
Раскрытие и оформление проемов значительно расширяет фронт работ, так как только после окончания сооружения проемов во всех трех тоннелях можно производить чеканку, не опасаясь больших деформаций обделки.
Вслед за чеканкой ведут укладку жесткого основания и все последующие работы по монтажу сборных железобетонных конструкций стен, платформ и т.п. Водозащитный зонт обычно монтируют вслед за сооружением платформ; облицовочные работы могут быть начаты до установки зонта.
Для обеспечения естественного стока воды к шахтному стволу проходку тоннеля предпочтительно вести на подъем. В грунтах, склонных к вывалам и отслоению, а также оказывающих давление со стороны лба забоя, проходку ведут с предварительным сооружением пилот-тоннелей или штолен, а в слабых глинистых или несвязных грунтах — при помощи щитов. При этом в целях обеспечения
совпадения отдельных конструктивных элементов по длине станции проходку станционных тоннелей со сборными обделками следует вести в одном направлении.
В слабых грунтах проходку тоннелей начинают после того, как смонтируют щит, а после его вывода — тюбингоукладчик. Щитовая проходка станционных тоннелей в смешанных грунтах, требующих применения буровзрывных работ, но находящихся на контакте с неустойчивыми (что и вызывает применение щита), должна проводиться особенно тщательно. Лотковой части выработки необходимо придавать круговое очертание, соответствующее форме контура щита. Недоборы и переборы грунта не допускаются, в противном случае трудно обеспечить проектное положение щита и обделки и, кроме того, сам щит может быть поврежден. Для предотвращения этого, как правило, применяют гладкое взрывание. С этой же целью может быть применен бетонный лоток, сооружаемый в основании опережающей штольни, тупиковой или сквозной. В последнем случае ее рационально использовать для прокладки геодезическо-маркшейдерской основы, для транспортных целей, а также для водоотвода и вентиляции. При наличии сквозной штольни (рис. 8.1), используемой для перемещения грунта в вагонетках 7, в пределах ее поперечного сечения размещают два рельсовых пути на большей части протяжения штольни и один путь на участке, примыкающем к щиту с накладной стрелкой в месте перехода, и бункер 2.
Рис. 8.1. Схема сооружения станционного тоннеля щитом с применением сквозной штольни:
1 вагонетка; 2 бункер; 3 укладчик; 4 передвижная платформа; 5 помост; 6 тележка
Погрузку грунта, разрабатываемого отбойным молотком, ведут вне зоны монтажных работ, что следует отнести к достоинствам рассматриваемой схемы. Работы, связанные с монтажом конструкций станционного тоннеля, включая рамные фигурные тюбинги проемов, выполняют при помощи укладчика 3, помещенного на передвижной платформе 4. К особенностям рассматриваемой схемы относится организация подачи тюбингов к месту их укладки.
Для обеспечения единого уровня перемещения тюбингов на всем протяжении используют последовательно наращиваемый повышенный металлический помост 5. Отметка головки рельсов двухпутной линии колеи помоста соответствует уровню откатки в подходных выработках, что обеспечивает удобство выполнения транспортных операций. Для подачи тюбингов под захват рычага укладчика предусмотрен тельферный переподъемник, помещенный в хвостовой части тележки укладчика. Рядом с повышенным помостом, в головной части тоннеля, находится тупиковый путь для размещения растворонагнетателей. Для расширения фронта работ необходимо использовать две-три вспомогательные тележки 6.
При заложении станции в песчаных необводненных грунтах, находящихся под защитой плотных грунтов, для проходки станционных тоннелей может быть применен способ пилот-тоннеля. При этом исключается необходимость в шести щитовых камерах и сокращается срок строительства на 6—7 месяцев. В зависимости от последовательности выполнения работ в пилот-тоннеле и в основном тоннеле возможны две схемы организации работ: параллельная и последовательная.
При параллельной схеме работы ведут одновременно с отставанием забоя на 12 15 м. Однако в этом случае возникают трудности, связанные с одновременной погрузкой грунта в зоне расширения выработки и транспортировкой грунта и материалов в пилот-тоннеле. Этот недостаток устраняется при последовательной схеме организации работ, предполагающей первоочередную проходку пилот-тоннеля при помощи тоннельного укладчика или перегонного щита диаметром 5,5 м. Ось пилот-тоннеля располагают таким образом, чтобы обеспечить наилучшие условия разработки и крепления обоих забоев: при сооружении боковых тоннелей совмещают с осью станционного пути, а при сооружении среднего тоннеля — с его осью, смещая центр выработок по высоте [111, рис. 15.5].
Глубину заходки принимают с таким расчетом, чтобы можно было разобрать кольцо обделки пилот-тоннеля и смонтировать одно-два кольца обделки станционного тоннеля. Кровлю выработки крепят марчеванами, концы которых заводят в штра-бу по периметру выработки, подхватывая кружальной аркой. Лоб забоя удерживают досками, распирая их на горизонтальные балки, трубы или на радиальные стойки, опертые на обделку пилот-тоннеля. В месте опирания балки и стойки прижимают к забою горизонтальными распорками — рошпанами, упирая в стальные пластины, установленные по периметру кольца путем прикрепления болтами к ребрам тюбингов. Освободившееся от грунта кольцо обделки пилот-тоннеля разбирают, и монтируют очередное кольцо постоянной обделки станционным укладчиком [101, рис. 1.73].
В устойчивых грунтах проходка станционных тоннелей, пиленных и боковых тоннелей колонных станций может вестись горными (бесщитовыми) частично механизированными комплексами типа КМ-15Гп, оснащенными укладчиком ТУ-2Гп, приспособленным для установки колонн массой до 4,0 т, а средних тоннелей колонных станций — комплексами КМ-36 с укладчиком ТУ-4Гп. Технические характеристики комплексов и укладчиков обделки приведены в приложении Б. Разработку забоя станционных тоннелей при проходке с помощью укладчиков ведут, как правило, на ширину одного кольца. Проходка заходками на два кольца допускается при наличии предварительно пройденного пилот-тоннеля с обделкой из элементов шириной 1,0 м. В этом случае две заходки делают на одно кольцо, а третью — на два кольца.
В последние годы все более широкое применение в метростроении находят различные манипуляторы. Впервые такие манипуляторы типа МПР и МПП использованы при монтаже тюбинговой обделки тоннеля £>н = 5,49 м на перегоне «Крестьянская застава» — «Дубровка» Люблинской линии в Москве [123].
Наблюдения показали, что время установки манипулятором одного тюбинга лотковой части составляло 3 6 мин, сводовой части — 7 12 мин при трудоемкости соответственно 9 18 и 21 36 чел .-мин. Продолжительность монтажа кольца с учетом выполнения вспомогательных операций составила в среднем 309 мин. В табл. 8.1 при-
Таблица 8.1
Сравнительные характеристики вспомогательных устройств для монтажа обделки
Характеристика Значение характеристики
Манипулятор МПП Лебедка электрическая Укладчик обделки
Трудоемкость монтажа одного кольца, чел.-ч 12,3 27,5 П,7
Производительность труда, колец/чел./смен 0,49 0,22 0,51
Уровень механизации труда, % 58 90 25 30 85 90
ведены достигнутые манипулятором МПП показатели в сравнении с применяемыми в настоящее время средствами.
Таким образом, использование манипулятора типа МПП позволяет в 2,2 раза повысить производительность труда по сравнению с монтажом тюбинговой обделки электрическими лебедками и гарантирует достижение показателей на уровне тюбингоукладчика. Вместе с тем преимуществами манипулятора МПП являются: сравнительно небольшая масса; простота конструкции и обслуживания; универсальность; хорошая вписываемость в известные технологии ведения различных видов работ и др., что обеспечивает более низкие капитальные затраты.
Учитывая положительные результаты внедрения и необходимость механизации других видов работ при строительстве метрополитенов, Мосметростроем и подмосковным НИУИ разработан манипулятор МТК для проходки средних станционных тоннелей закрытого способа работ диаметром 9,5 м с использованием комбайнов (ГПКС, 4ПП-2, 4ПП-5). Технология предусматривает проходку среднего тоннеля уступным способом. Для связи между рабочими горизонтами и уровнем откаточных путей служит пере-подъемник. Проходка верхнего уступа (сводовой части) ведется комбайном с погрузкой грунта в вагонетки и откаткой их к пере-подъемнику. На расстоянии не менее 0,5 м от обделки боковых станционных тоннелей грунт разрабатывают отбойными молотками. Во время работы комбайна манипулятор МТК располагается в 10 м от забоя над перегружателем. После завершения процессов выломки и погрузки грунта манипулятор в течение 5 10 мин перемещается
своим ходом к забою и размещается под опущенным рабочим органом комбайна под защитой смонтированного ранее кольца тюбинговой обделки. Тюбинги к месту работ подают по временному пути, уложенному в одном из боковых проходов.
Управление манипулятором дистанционное, с переносного пульта, находящегося у оператора. Для удобства и безопасности монтажа на портале манипулятора имеются съемные подмости и лестницы. После окончания монтажа полукольца манипулятор автономно передвигается от забоя назад, освобождая пространство комбайну.
Сооружение нижнего уступа (ядра) ведут до проектной отметки низа лотка в соответствии с принятой в каждом конкретном случае технологией. При этом для укладки арматурных каркасов в днище, а также для выполнения погрузо-разгрузочных и других вспомогательных работ используется тот же манипулятор. Это позволяет отказаться от применения кран-балки и других грузоподъемных средств. В табл. 8.2 дана сравнительная оценка описанных технологий.
Как видно из приведенных в табл. 8.2 данных, технология с использованием манипулятора МТК позволяет улучшить показатели по проходке и обустройству средних станционных тоннелей за счет снижения объемов монтажно-демонтажных работ и увеличения темпов, что в конечном итоге будет способствовать сокращению сроков строительства на 25 27 %.
Таблица 8.2
Сравнительные характеристики технологий сооружения среднего тоннеля станции
Показатель Единица измерения Значения показателей для технологий с применением
4ПП-2, УТЛ-61 4ПП-2, МТК
Скорость (трудоемкость) проходки: сводовой части лотка м/мес. (м/чел.-смен) 75 (8,0) 91 (6,59) 90 (6,87) 93 (6,45)
Срок выполнения работ: монтаж-демонтаж оборудования проходка сводовой части строительство лотка сут то же « 11 20 17 2 16 17
Сроки сооружения среднего тоннеля длиной 60 м сут 48 35
Другие типы манипуляторов с дистанционным управлением, такие как «Штрек-5» и ПМП, предназначены для: механизации в подземных условиях погрузки грунта; поддирки почвы, кровли и боков выработки; возведения и извлечения элементов рамной и тюбинговой крепей; погрузки-выгрузки сыпучих материалов, бетонной смеси, оборудования и пр.; укладки и ремонта рельсовых путей, в том числе находящихся в эксплуатации; разработки уширений и камер в штольнях; проходки и чистки дренажных канав колодцев, отстойников, котлованов и пр.; монтажа-демонтажа горного оборудования, трубопроводов и других работ. Технические характеристики манипуляторов приведены в табл. 8.3.
Разнообразие физико-механических характеристик грунтов и сложные инженерно-геологические условия приводят к необходимости разработки новых инженерных решений и технологий строительства тоннелей большого поперечного сечения, в том числе станций метрополитена. Одной из важнейших задач при этом явля-
Таблица 8.3
Основные характеристики манипуляторов «Штрек-5» и ПМП
Показатель Единица измерения Значения показателя
«Штрек-5» ПМП
Г рузоподъемность кН 50 32
Максимальный вылет стрелы мм 3000 3200
Максимальная высота подъема стрелы мм 4600 6600
Скорость передвижения м/с 0,82 0,1
Усилие передвижки кН 50...80 80...120
Клиренс от почвы мм 250 1110...1975
Мощность электродвигателя масло-станции кВт 22 10
Ширина колеи рельсового пути мм 900 Любая
Габариты в транспортном положении: длина ширина высота мм 2700 1200 1400 4200 5200 2260
Масса кг 5000 5000
ется поддержание их устойчивости, особенно в забойной части, и обеспечение прочности крепления (обделки) при оперативном введении его в работу.
В частности, новая технология проходки тоннелей сплошным забоем применена при строительстве станции метро «Дорогожичи» в Киеве (рис. 8.2).
Тоннели сооружали укладчиком, с разработкой грунта послойно отбойными молотками, погрузкой его породопогрузочной машиной ППН-1 в вагонетки емкостью 1,5 м3. Для удержания грунтового массива со стороны забоя использовали одинарные (первая и четвертая) и сдвоенные (вторая и третья) двутавровые балки № 45, которые устанавливали в 4 уровнях и заводили в грунт. Причем 3-й срединный ярус по верху и по низу ограждали конструкцией из сдвоенных балок. Для создания жесткости все балки были раскреплены между собой забоем и постоянной крепью сборной железобетонной обделкой: штендерами, контрфосами и «мальчиками». Кроме того, балки между собой стянули винтовыми устройствами «фар-копфами». Расстояние между балками по вертикали составляло 1,6 м. Со стороны забоя пространство закрывали металлическими затяжками из спецпрофиля, усиленными металлическими полосами. Разработку грунта вели послойно в направлении сверху вниз на одну заходку, равную ширине кольца обделки 0,75 м, с последующей поочередной передвижкой подкрепляющих забой балок, их раскреплением и установкой затяжки. При этом выемку грунта в ярусе выполняли от центра к периферии, с затяжкой и заклиниванием временной крепи во фронтальной части забоя в ярусе. Применение новой технологии, вместо ранее применявшейся проходки станционных тоннелей с помощью пилот-тоннелей, позволило осуществить независимое сооружение станционных и перегонных тоннелей и расширить фронт горных работ.
Крепкие и средней крепости скальные грунты разрабатывают, как правило, буровзрывным способом заходками на одно кольцо. Для предотвращения вывалов отслоившегося грунта на лоб забоя навешивают металлическую сетку, а со стороны кровли устанавливают кронштейны, прикрепляемые к кольцевым бортам тюбингов и перекрываемые досками или (при блочной обделке) только досками, заводимыми одной стороной за блоки, а другой — в штрабы на плоскости забоя.
Грунт грузят с помощью погрузочных машин, передвигаемых по рельсовым путям (один или два), уложенным на передвижную металлическую платформу. Платформа состоит из швеллеров, покрытых листовой сталью, и передвигается с помощью двух домкратов,
Паспорт крепления забоя
Рис. 8.2. Технологическая схема проходки станционного тоннеля на полное сечение с разделением забоя на ярусы: 1 — укладчик ТУ-2Гп; 2 — растворонагнетатель СО-126; 3 — тельфер электрический грузоподъемностью 30 т;
4 — погрузочная машина с траверсой ППН-1с; 5 — вагонетка ВГ 1,6-600; 6 — лебедка электрическая Л М-3,2
установленных в ее хвостовой части. После разработки и уборки грунта из забоя монтируют обделку тоннеля.
Одной из особенностей проходки станционных тоннелей является требование точного соблюдения проекта укладки колец обделки. Кольца всех трех тоннелей в пределах средней (проемной) части станции должны находиться в створе, т.е. иметь один и тот же пикетаж, что очень важно для разработки проемов. За-ходку первых колец станционных тоннелей ведут во всех тоннелях с учетом «набегания» длины тоннеля за счет зазоров между кольцами обделки, допускаемых техническими условиями не более 1,5 мм. При укладке обделок тоннелей установленный зазор выдерживают за счет высокого качества сболчивания скреплений. Тюбинги к забою подают в строгой очередности, что особенно важно при монтаже проемных частей станции. Монтаж тюбингов обычно ведут поочередно, с левой и с правой стороны кольца. С особой тщательностью укладывают лотковые блоки с чугунными плитами и примыкающие к ним тюбинги, не допуская их занижения.
Монтаж проемных тюбингов станции пилонного типа имеет свои особенности, так как в этом случае применяют специальные рамные тюбинги неправильного четырехугольного очертания. Эти тюбинги монтируют одновременно с нормальными тюбингами кольца, а место будущего проема тоннеля временно закладывают нормальными «тюбингами заполнения» без перевязки швов. При разработке грунта в проеме «тюбинги заполнения» разбирают. Тюбинги рамы проема и заполнения с целью увеличения жесткости конструкции тоннеля в период монтажа сболчивают на металлических плоских шайбах без битумного заполнения. Замена монтажных болтов и шайб постоянными болтами со сферическими шайбами с битумным заполнением осуществляется только после проходки всех трех тоннелей, контрольного нагнетания за обделку и разработки проемов.
При сооружении боковых и среднего станционных тоннелей на участке расположения проходов должны быть установлены металлические стяжки из круглой стали диаметром 45 мм на период сооружения среднего тоннеля и проходов [105, рис. 21.16]. Стяжки ставят горизонтально или наклонно в один-два ряда.
Выдерживанию правильных геометрических размеров кольца станционного тоннеля при монтаже обделки способствует тщательное сболчивание и подтяжка вручную болтов ключами с длинными ручками. Качество сболчивания необходимо проверять во время монтажа ежедневно простукиванием всех болтов. Ослабленные болты следует немедленно подтягивать до отказа. Соблюдение указанных требований обеспечивает точность сборки рам проемов пилонной станции и дальнейшего сооружения проходов. Следует помнить, что отклонение геометрического очертания проемов от проектных размеров более установленных норм недопустимо, так как в створе с сооружаемым проемом будут находиться проемы двух соседних тоннелей.
При сооружении станций колонного типа также следует учитывать ряд особенностей. В частности, при проходке боковых тоннелей большое внимание следует уделять установке подколонных тюбингов. Наличие остатков материала пикотажа за этими тюбингами не допускается. При глинистых или несвязных грунтах за подколонными тюбингами надлежит устраивать бетонное основание. При монтаже проемных колец должен быть обеспечен плотный контакт тюбингов-вкладышей с тюбингами перемычек и тюбингами временного заполнения проемов. Проходку среднего тоннеля колонной станции, так же как и пилонной, ведут с принятием необходимых мер по предотвращению деформаций боковых тоннелей и смещений колонн.
При обделках из чугунных тюбингов в боковых тоннелях следует устанавливать стальные преднапряженные стяжки на колоннах — в два-три яруса. Суммарное усилие предварительного натяжения стяжек одной колонны должно составлять не менее 2 МН.
Сооружение среднего тоннеля, как правило, ведут в два этапа: разработка калотты с устройством верхнего свода и разработка ядра с бетонированием или монтажом обделки обратного свода. В процессе разработки ядра демонтируют тюбинги боковых частей путевых тоннелей с последующим устройством бетонной подготовки под изоляцию лотковой части, укладкой гидроизоляции, установкой арматуры и бетонированием или монтажом лотка. Следует учитывать, что грунт в лотке должен разрабатываться на небольшом участке тоннеля (до 5—6 м), тогда устраняется естественный отпор грун
та в лотковой части и не будет нарушена расчетная схема конструкции тоннеля. По этой же причине все работы в лотковой части должны выполняться максимально быстро, чтобы обеспечивать наименьшие сроки разработки грунта и бетонирования лотка.
Контрольное нагнетание за обделку боковых тоннелей должно быть полностью закончено до приближения забоя среднего тоннеля к соответствующим кольцам боковых тоннелей на расстояние не менее 10 м.
При монтаже обделки среднего тоннеля необходимо обеспечить немедленное включение в работу тюбингов как верхнего, так и нижнего сводов. Первичное нагнетание проводят в первое кольцо. Нагнетание во второе кольцо по верхнему своду допускается проводить при условии тщательной забивки между тюбингами и грунтом клиньев, обеспечивающих стабильное состояние свода. При наличии в стыках между элементами зазоров более 10 мм они должны заполняться фибробетоном.
При сооружении станционных тоннелей с учетом последующих отделочных и монтажных работ большое внимание должно быть уделено подземному транспорту по доставке материалов и откатке грунта. Обычно уровень откаточных путей при проходке тоннеля назначают с учетом размещения в нем двух, а иногда и трех узкоколейных путей. Поскольку откаточные пути в перегонном тоннеле располагают в уровне лотка, а в станционном — на отметке путей в подходных тоннелях, возникает разница в уровнях этих путей на 1,5—2,0 м. В этом случае в конце станции сооружают наклонный съезд — бремсберг, оснащенный приводной 2,5 3-тонной редукторной лебедкой, а внизу — защитным шлагбаумом или компенсатором высоты.
При сооружении станции колонного типа грунт и материалы, как правило, транспортируют по боковым тоннелям. При разработке калотты и сооружении среднего свода откатку ведут в уровне верхних откаточных путей, которые сначала укладывают на отметке низа калотты, а затем, по мере разработки ядра, подвешивают на тирантах и металлических подвесках к тюбингам свода. Для подъема вагонеток и спуска их на уровень нижних откаточных путей в тоннеле обычно сооружается подъемник с клетью на одну вагонетку.
8.4. Строительство станций пилонного типа
В зависимости от конструктивных особенностей, материала обделки и инженерно-геологических условий заложения станции имеет место большое многообразие способов их постройки, отличающихся, главным образом, очередностью возведения станционных тоннелей, пилонов и проходов. Различают следующие основные технологические схемы производства работ [105 (21.8)]: сооружение пилонов и проходов после проходки станционных тоннелей; сооружение пилонов в штольнях до проходки основных тоннелей; параллельное сооружение основных тоннелей, пилонов и проемов; сооружение пилонов после проходки тоннелей и предварительного усиления проемных участков. Сущность приведенных технологических схем строительства пилонных станций достаточно подробно изложена в литературе [101, п. 5.2.3; 105, п. 21.8; 111, п. 15.1] и в данном пособии не рассматривается.
Устройство проходов между смежными тоннелями и сооружение пилонов. В комплекс наиболее трудоемких работ при сооружении станции пилонного типа входят операции по устройству проемов для прохода из среднего тоннеля в боковые. К ним относят: изготовление элементов заполнения проемов; устройство железобетонной конструкции обрамления прохода; металлоизоляцию и сопряжение ее с элементами обделки.
Расстояние между соседними проемами тоннелей пилонных станций составляет 0,75 1,5 м (одно или два кольца), а с учетом ширины колец рам обрамления — 2,25 3 м. Длина прохода определяется в зависимости от принятого расстояния между продольными осями станционных тоннелей и обычно равна (между спинками тюбингов соседних тоннелей) 1,35 1,5 м.
При сооружении среднего станционного тоннеля необходимо особенно тщательно следить за положением колец в профиле и плане и за совпадением контуров проемов в соседних тоннелях. Взрывные работы в боковых частях среднего тоннеля должны вестись с большой осторожностью, а разработка грунта в боках тоннеля (на ширине около 1,0 м) — отбойными молотками без взрывания. Раскрытие проемов начинают после окончания проходки всех трех станционных тоннелей. Иногда в крепких грунтах разработку их
в проходах можно начинать до полного окончания проходки среднего тоннеля, но при этом должно быть сооружено не менее половины его длины. При обделках из чугунных тюбингов проемы допускается раскрывать со стороны как боковых тоннелей, так и среднего тоннеля.
В устойчивых грунтах, а также при устойчивой кровле над станцией разработка проемов производится сверху вниз. Очередность раскрытия проемов устанавливают с таким расчетом, чтобы одновременно разрабатывалось не более двух проемов. Проемы должны раскрываться поочередно с каждой стороны среднего тоннеля в шахматном порядке во избежание деформаций обделки [101, п. 5.2.3].
Для разработки верхней части прохода и бетонирования обделки проема сооружают рабочие подмости, достаточно прочные и способные воспринять нагрузку от грунта [101, рис. 5.9]. Для этих целей можно использовать также передвижные инвентарные металлические подмости (рис. 8.3), на которых смонтирован скип для подъема бетона.
Рис. 8.3. Передвижные инвентарные металлические подмости:
1 металлический каркас; 2 скип; 3 рабочие площадки; 4 блок для подъема
скипа
Грунт в вагонетки опускают по металлическим трубам диаметром 600 мм или по закрытым деревянным лоткам. После достижения бетоном прочности не менее 75 % под защитой выполненного свода производят остальные работы по устройству прохода: снимают оставшиеся тюбинги заполнения с обеих сторон прохода, разрабатывают грунт, устанавливают в нижней части прохода арматуру и металлоизоляцию, бетонируют нижнюю часть конструкции. Демонтаж тюбингов со стороны среднего тоннеля и снятие всех тю
бингов временного заполнения в проеме осуществляют (вслед за окончанием крепления проема) при помощи лебедок или манипуляторов.
Для облегчения извлечения тюбингов временного заполнения проема можно применять тюбинги меньшей ширины (например, 745 мм вместо 750 мм). Установкой этих же тюбингов в кольцах можно устранить набегание (опережение) колец по отношению проема в смежном тоннеле.
В крепких скальных грунтах при использовании металлической изоляции проем разрабатывают сразу на полное сечение. К тюбингам обрамления проема крепят на болтах металлические листы изоляции толщиной обычно 8 мм и сваривают их между собой. По мере наращивания вверх листы раскрепляют расстрелами, а пространство между листами и грунтом заполняют бетоном [39, рис. 66].
В этом случае металлические листы выполняют не только роль гидроизоляции, но одновременно являются и частью несущей конструкции обделки, воспринимающей гидростатическое давление. Для обеспечения совместной статической работы бетона и стальных листов к наружной их поверхности двухсторонним швом приваривают анкера в шахматном порядке в виде зигзагообразных стержней из арматурной стали диаметром 10 12 мм, длиной не менее 30 диаметров арматуры. Стальные листы служат также опалубкой при бетонировании проходов. Поверхность листов для предохранения от коррозии покрывают слоем торкрета толщиной не менее 3,5 см, наносимым по приваренной к ним в отдельных местах металлической сетке.
Металлическую гидроизоляцию прохода сопрягают с рамными тюбингами проема посредством стальных планок толщиной 12—16 мм, прикрепляемых к бортам тюбингов болтами со сферическими шайбами и битумными прокладками, к которым приваривают сплошным швом стальные листы. Для нагнетания цементного раствора за обделку в металлических листах делают отверстия, обрамленные приваренными гайками, резьба которых одинакова с пробковым отверстием в тюбингах. Применение этого типа прохода позволяет, кроме получения высокого качества гидроизоляции, увеличить его ширину примерно на 0,4 м, что в значительной степени улучшает эксплуатационные характеристики прохода.
В малоустойчивых грунтах при наличии значительного горного давления возможно применение иной технологии сооружения проходов — снизу вверх.
При возведении станций с обделкой из сборного железобетона технология работ по раскрытию проемов в значительной степени определяется их конструктивными особенностями и достаточно подробно изложена в работе [101, с. 171—173].
Сооружение станций с обделкой из металлобетонных блоков. Строительство двух пересадочных станций «Парк Победы» в Москве с обделкой из металлобетонных блоков (см. рис. 2.15) представляет несомненный интерес в силу своей новизны и необычности конструктивно-технологических решений. Применение разработанных в АО «Трансинжстрой» новых конструкций обделок с использованием металлопроката типа БМ и АМБ с повышенными гидроизоляционными свойствами потребовало отработки технологии бетонирования обделок литой смесью после монтажа металлоблоков.
Принципиальная схема бетонирования предполагает выполнение следующих операций: доставка бетонной смеси на стройплощадку в автобетоносмесителях СБ-92-1; перегрузка смеси по бетоноводу через скважину бетоноспуска в бункер пневмобето-нонагнетателя ПБН или «Скрю-Крит», которые используются в качестве транспортных средств для доставки бетонной смеси к месту укладки; перегрузка бетонной смеси из ПБН в бункер-накопитель; перекачка бетонной смеси бетононасосом «Швинг» в конструкцию через патрубки. Бетонирование обделок велось за-ходками длиной 6 м.
Были приняты два варианта конструктивно-технологических схем станции.
Вариант 1. Конструктивная схема и технология строительства близки к традиционным для пилонной станции из чугунных тюбингов: сооружение опоры в уровне посадочной платформы станции; своды обделок боковых тоннелей в виде циркульных полусводов опираются на опоры и грунт, свод среднего тоннеля — на опоры; станционные проемы имеют временное заполнение, которое монтируется вместе с обделкой; проемы разрабатываются после того, как будут замкнуты обделки всех трех станционных тоннелей.
Вариант 2. Конструктивная схема предусматривает сооружение проемной части станции до проходки станционных тоннелей: аркада с проемами и колоннами устраивается на всю длину станции до монтажа обделки станционных тоннелей; своды обделок боковых тоннелей опираются на грунт и сооруженную аркаду, свод среднего тоннеля — на аркады. При этом исключаются работы по демонтажу временного заполнения проемов и их сооружению.
Учитывая возможность применения подобных конструкций в будущем, на строительстве опробовали оба варианта, что позволяет сравнить их показатели в одинаковых условиях строительства. Станция-1 сооружалась по варианту 1, станция-2 — по варианту 2 (рис. 8.4).
Рис. 8.4. Этапы строительства станции «Парк Победы»:
а станция-1; этапы: 1 проходка штолен с установкой временной крепи,
бетонирование опор и установка временных металлоконструкций; 2 проходка боковых и 3 среднего тоннелей, монтаж армометаллоблоков сводовой части с последующим бетонированием; 4 сооружение лотковой части станционных тоннелей, раскрытие проемов, сооружение несущих элементов проемов, монтаж внутренних конструкций; б станция-2; этапы: 1 проходка штолен с установкой временной крепи, сооружение аркады проемной части станции; 2 проходка боковых и 3 среднего тоннелей, монтаж армометаллоблоков сводовой части с опорой на сооруженные аркады с последующим бетонированием; 4 сооружение лотковой части станционных тоннелей, монтаж внутренних конструкций
В частности, при строительстве станции-1 (см. рис. 8.4, а) сначала проходили пятовые штольни (этап 1), в которых бетонировали опоры для обделок среднего и бокового тоннелей; после этого сооружали боковые тоннели (этап 2), а затем средний тоннель (этап 3). Этап 4 предусматривал сооружение лотковой части станционных тоннелей, раскрытие проемов и сооружение их несущих элементов. Обделки сводов станционных тоннелей, монтируемые в процессе разработки забоя (этапы 2 и 3), состоят из двух полуарок, которые монтируют перед забоем из отдельных элементов. Каждая полуарка в своей пяте и опорный элемент имеют шарниры, которые после установки полуарок в припятное положение соединяют, а далее полуарки устанавливают в проектное положение.
Сооружение станции-2 было решено вести по несколько измененной схеме (см. рис. 8.4, б). Отличие состоит в том, что аркада проемной части сооружалась в пятовых штольнях большего размера до разработки грунта станционных тоннелей.
Обе станции «Парк Победы» представляют собой чрезвычайно сложный комплекс подземных выработок, состоящий из шести тоннелей поперечным сечением 9,5 х 10 м, которые на протяжении более 250 м проходят параллельно один другому. Общий размер сооружения в поперечном направлении с учетом целиков между тоннелями составляет 60 м при высоте раскрываемого профиля около 11м.
Учитывая, что водоносный горизонт расположен в непосредственной близости от шелыги свода станционных тоннелей, для повышения устойчивости грунтового массива было решено отказаться от буровзрывного способа и работы по сооружению станционных тоннелей вести механизированным способом с применением стреловых комбайнов Е-134 фирмы «Паурат» (Германия) и 4ПП-2 Ясиноватского завода (Украина).
Проемы на станции-1 сооружали с использованием комплекса оборудования фирмы «Зальцгиттер» (Германия). Разработку грунта вели ударно-скалывающим способом стреловой машиной, оснащенной гидромолотом, а его погрузку — малогабаритной ковшовой машиной. Это не только значительно уменьшило трудозатраты на проходческие работы, но и обеспечило минимальные нарушения грунтового массива. Последнее обстоятельство позволило вести одновременно проходку двух станций и замедляло нарастание горного давления, что снизило
монтажные нагрузки на незабетонированную обделку. Монтаж элементов обделки производили специальными приспособлениями, установленными на стрелах комбайнов. Транспортирование грунта в пределах станционных тоннелей было организовано с помощью пневмоколесных самоходных вагонов 5ВС-15 с вместимостью кузова 5 м3, оснащенных электроприводом и кабельными барабанами. Перегрузку грунта в приемные бункеры, смонтированные в торцах тоннелей, производили донным скребковым конвейером, которым оснащен самоходный вагон. Из приемного бункера дозировку и выдачу грунта осуществляли с применением вибролюка АШЛ. Такая транспортная схема позволила выполнять маневры самоходной техники при широком фронте погрузки, а большая вместимость вагонов и наличие бункеров-накопителей исключили простои при задержке порожних составов для погрузки.
Работы выполнялись в три смены при двух выходных днях. При этом скорости проходки составили: аркадной части станции-2 — 32 м/мес., верхнего уступа бокового тоннеля — 26 м/мес., нижнего уступа бокового тоннеля — 45 м/мес.
Накопленный опыт позволил сделать вывод о целесообразности применения обделок из АМБ, а также выявить достоинства и недостатки конструктивных схем обделок станции-1 и станции-2.
Обделки из АМБ не только подтвердили в производственных условиях свои технические и технологические достоинства, но и позволили в трудных экономических условиях более эффективно использовать выделенные средства, удешевить строительство и в значительной мере уменьшить зависимость от поставщиков дефицитных материалов.
В условиях строительства пересадочного узла более предпочтительной является конструктивная схема станции-2, так как благодаря предварительно сооруженной аркаде после завершения монтажа обделки полностью исключаются работы по устройству проемов.
Конструктивная схема станции-1 предусматривает выполнение значительных объемов трудоемких работ, включая демонтаж металлоконструкций временного заполнения. Однако этот
вариант имеет более широкую сферу применения, тогда как у варианта 2 она ограничивается наличием благоприятных гидрогеологических условий.
Применение АМБ требует выполнения большого объема сварочных работ и по антикоррозионной защите, качество которых должно гарантироваться соблюдением технологических требований и тщательным послеоперационным контролем.
Элементы обделки изготовляли в заводских условиях с использованием многошовных сварочных машин, сварочных автоматов и манипуляторов, что позволило стабильно обеспечивать высокое качество. Сварку на монтаже в подземных условиях вели сварочными мультсистемами КЕМПИ РС-3500. Защита от коррозии обеспечивалась цементным покрытием со стороны уложенного бетона, а с лицевой стороны — слоем глифталевой грунтовой и двумя слоями пентафталевой эмали.
Сооружение двух станций одинаковой конструкции в идентичных гидрогеологических условиях позволяет сравнивать их технико-экономические показатели и рекомендовать для дальнейшего применения лучший вариант этой перспективной конструкции.
8.5. Строительство станций колонного типа
Сооружение станций с обделкой из чугунных тюбингов.Техно-логия строительства первых колонных станций II—V очередей Московского и I очереди Ленинградского метрополитенов с двумя внутренними несущими прогонами в виде стальных аркад и колонн [111, рис. 5.28], а также станций со сближенными двухрядными перемычками достаточно подробно изложена в работах [101, с. 175—181; 105, с. 312—316; 111, с. 468—477]. При этом, как показал опыт строительства, одним из недостатков станций со сдвоенными клинчатыми перемычками является то, что сооружение среднего станционного тоннеля необходимо вести на полный профиль заходками длиной не более 2 м. Вызывается это тем, что колонны устанавливаются на наклонную плоскость тюбингов боковых тоннелей и при передаче на них нагрузки от горного давления имеют тенденцию к смещению в сторону среднего тоннеля, при этом срезаются болты крепления.
Для предотвращения этого на станции «Авиамоторная» Калининской линии специалисты СМУ-5 Мосметростроя и Метрогип-ротранса предложили удерживать колонны от смещения при проходке с помощью поперечных распорных труб. Кроме того, под каждой колонной устраивалось бетонное основание. Однако эти мероприятия требовали увеличенных трудозатрат, ручного труда, что снижало скорость проходки.
При проектировании станции «Римская» Московского метрополитена в конструкцию обделки были введены дополнительные элементы — стальные фундаменты под колонны. И те, и другие, а также клинчатые перемычки монтируются одновременно со сборкой кольца обделки бокового тоннеля. Благодаря смещению вдоль тоннеля на половину ширины тюбинга фундаменты одновременно распределяют усилия от веса колонн на большее число лотковых элементов.
Применение стальных фундаментов позволило изменить технологию проходки среднего тоннеля. Учитывая, что на колонны можно передавать нагрузку горного давления, было предложено сооружать тоннель методом уступа: разработку верхней части — горнопроходческим комбайном ГПКС, монтаж чугунной обделки свода — укладчиком УТЛ-61, а оставшееся ядро дорабатывать также комбайном.
В процессе строительства станции «Римская» был внесен ряд предложений по улучшению конструкции и технологии работ. В частности, новая технология проходки среднего тоннеля позволила отказаться от устройства обратного свода заменой его плоской распорной плитой, работающей на восприятие горизонтального давления от боковых тоннелей и гидростатического — от напора грунтовых вод. Такое конструктивное решение колонной станции и применение метода уступа при сооружении среднего тоннеля существенно сократили расход чугуна и повысили темпы сооружения станции.
Сооружение станций с обделкой из сборного и монолитного железобетона. Технология строительства таких станций достаточно подробно изложена в [93, п. 34.2; 101, п. 5.2.4; 111, п. 15.2].
Заслуживают внимания конструкция и технология сооружения новой станции колонного типа глубокого заложения «Крестовский
остров» в Санкт-Петербурге, сданной в эксплуатацию в сентябре 1999 г. На ней впервые реализована идея сооружения станции полностью из сборного железобетона. Если построенные ранее 12 колонных станций имели металлический колонно-прогонный комплекс, то на станции «Крестовский остров» колонны и ригели — железобетонные.
В металлических колонно-прогонных комплексах ригели выполняются в виде двухконсольных балок, которые монтируют совместно с колоннами. Как показали проектные разработки, железобетонный консольный ригель в возможных габаритах не может нести те же нагрузки, что и металлический. Необходимо совместить работу двух соседних консолей и заставить их работать как арка с шарниром в центре. В этом и проявились основные трудности. В частности, при сооружении станции «Приморская» в 70-х гг. и «Проспекта Просвещения» в 80-х гг. установка в беспроемных частях станций железобетонных колонн с ригелями не дали положительных результатов. И только при строительстве станции «Крестовский остров» благодаря сравнительно неглубокому заложению и небольшим нагрузкам горного давления эта попытка увенчалась успехом.
Для выполнения монтажных работ по установке железобетонного колонно-прогонного комплекса пришлось изменить конструкцию колонноустановщика, так как масса устанавливаемых элементов почти в 1,5 раза превышала ранее применявшиеся конструкции. Для зачеканки зазоров между верхним шарниром и обделкой тоннеля, между ригелем с колонной, между колонной и нижним ригелем проект предусматривал применение металлобетона. Строители решили механизировать этот процесс и применить безусадочную чеканочную смесь и аппарат для чеканки «Гидротон», разработанные минской лабораторией ЦНИИСа.
Опыт строительства и исследования на станции «Крестовский остров» приводят к выводу, что в тех случаях, когда по расчетным нагрузкам консольная схема ригелей обеспечит несущую способность, следует применять сборную железобетонную конструкцию колонно-прогонного комплекса как несомненно имеющую меньшую стоимость и не требующую привлечения крупных металлообрабатывающих предприятий.
Станции с обделкой из монолитного бетона и железобетона [111, рис. 5.32], как правило, сооружают в скальных грунтах с применением буровзрывного способа работ или комбайнов со стреловидным рабочим органом. В основу технологии положены способы опертого свода и нижнего уступа с креплением выработок (в зависимости от устойчивости грунта) арочной, анкерной, набрызгбе-тонной или комбинированной крепью. Постоянную обделку бетонируют с помощью инвентарных сборно-разборных опалубок, пневмобетоноукладчиков или бетононасосов. Как и при сооружении других станций колонного типа (со сборной обделкой из чугуна или железобетона), вначале сооружают боковые, а затем средний тоннель [111, с. 466—468].
Строительство колонно-пилонных и колонно-стеновых станций. Принципиально новый способ возведения станций глубокого заложения в скальных грунтах без применения буровзрывных работ, разработанный при проектировании Люблинско-Дмитровской линии, потребовал создания новой конструкции станции [111, рис. 5.22]. При возведении станции применили новую технологию, сводящуюся к следующему [111, рис. 15.9, а\.
Были пройдены четыре штольни арочного типа с одновременным закреплением их металлическими арками и набрызгбетоном. Затем механизированным способом в штольнях забетонировали боковые и средние опоры, используя в качестве опалубки часть крепления штольни (с одной стороны) и металлическую изоляцию (с другой). Проходку среднего и боковых залов до уровня опор осуществляли последовательно с помощью горнопроходческих комбайнов. Обделки боковых и среднего сводов монтировали с применением специальных укладчиков типа УТЛ-61, использованных при строительстве станций «Крестьянская застава» и «Дубровка» на Люблинской линии. После возведения обделки разрабатывали грунт до уровня подошвы опор и традиционными способами сооружали лотковую часть.
Такая технология возведения трехсводчатой колонно-пилонной станции закрытого способа работ с комбинированной обделкой позволяет: исключить разработку грунта и использование чугунных тюбингов в лотковой части среднего и боковых тоннелей; от
казаться при сооружении тоннелей от буровзрывных работ на всех стадиях разработки грунта и снизить объем ручного труда; существенно уменьшить деформации поверхности, что особенно важно при строительстве станции под густо застроенной частью города и при наличии охраняемых государством памятников истории и архитектуры.
Впервые в практике отечественного метростроения в Метрогип-ротрансе была разработана, а коллективом СМУ № 14 Мосметростроя построена станция метрополитена колонно-стенового типа глубокого заложения — «Крестьянская застава» (см. рис. 2.11, б). Технология строительства станции аналогична реализованной при возведении станции колонного типа «Римская».
Новая конструкция станции обладает преимуществами как колонных, так и пилонных станций. Здесь сокращается число клинчатых перемычек, снижается трудоемкость монтажа за счет замены фасонных тюбингов на стальные фундаменты, уменьшаются расход материалов и объемы ручного труда при сооружении проходов. Уширенная посадочная платформа в боковых тоннелях (3,2 м) позволяет эксплуатировать глухие участки (как на пилонных станциях). Размеры среднего зала обеспечивают размещение натяжной камеры и наклонного тоннеля для трех-четырех эскалаторов в пределах посадочной платформы при меньшем раскрытии среднего тоннеля, не снижая эксплуатационные характеристики станции.
Рассмотрим технологическую последовательность работ по возведению колонно-стеновой станции с обделкой из чугунных тюбингов в трещиноватых мергелях cf - 2...4.
Проходка боковых станционных тоннелей может выполняться с помощью комплекса КМ-15Гп на базе ранее пройденных пилот-тоннелей с отставанием забоев на 40 50 м. До начала проходки должны быть пройдены подходные выработки от рабочего ствола до перегонных тоннелей, осуществлена сбойка между тоннелями, сооружено «прорезное кольцо» под монтаж первых колец чугунной обделки DH = 8,5 м с предварительным демонтажом обделки Z)H = 5,5 м пилот-тоннеля; сооружена камера на длине 40 м для монтажа проходческого оборудования КМ-15Гп, выполнен монтаж этого комплекса.
Все дальнейшие работы по возведению станции ведут в технологической последовательности, приведенной на рис. 8.5.
В частности, разработка грунта в боковых тоннелях ведется с выдвижных площадок комплекса заходками не более одного кольца, сборка элементов кольца — от лотка к своду. Колонны-стены с опорными башмаками монтируют при сборке колец боковых тоннелей. В ходе монтажа кольца с колонной необходимо произвести тщательную выверку положения опорного элемента (башмака) и его фиксацию подклинкой и подбивкой бетоном. С отставанием 15 20 м от лба забоя укладывают путевой бетон.
Погрузку грунта осуществляют породопогрузочной машиной типа ППНЗ через перегружатель П-4 в вагонетки ВПК-7, с транспортировкой к стволу электровозом К4 (7KP-IV). Средний зал проходят уступным способом с разработкой грунта комбайном 4ПП-5. Для монтажа чугунной обделки применяется специальный укладчик, сконструированный по типу укладчика ТУ-4КС. Проходку сводовой части выполняют после сооружения подходной штольни, до начала станционной обделки. Погрузку грунта ведут через перегружатель в вагонетки ВПК-7, расположенные в боковых тоннелях.
Разработку ядра ведут до проектной отметки низа лотка (железобетонной Iшиты). При этом по мере освобождения колонн от грунта между ними пробивают штрабы, закладывая двутавровые балки, с расклиниванием металлическими прокладками и заполнением зазоров бетоном.
Строительство станций с помощью щитовых агрегатов с трехдисковыми рабочими органами. Особого внимания заслуживает технология строительства станций метрополитена с использованием механизированного щитового агрегата нового поколения с трехдисковым рабочим органом, разработанная в начале 90-х гг. в Японии.
Такие щитовые агрегаты сборно-разборной конструкции, состоящие из среднего (основного) и двух боковых (дополнительных) механизированных щитов, могут осуществлять сквозную проходку двухпутных перегонных тоннелей и трехсводчатых станций (см. п. 3.3). Основной щит имеет рабочий орган роторного действия и пригру-зочную камеру наружным диаметром около 10 м, дополнительные щиты — диаметр 6,5 м. Для сооружения станционных тоннелей с основного щита снимают отдельные элементы корпуса и пристыковывают к нему боковые щиты. После проходки последние демонтируют, а центральный оставляют для строительства перегонного тонне-
284
1 этап Проходка тоннеля
Продольный разрез по оси бокового тоннеля
2 этап
Контрольное нагнетание
уь ,\\\ , , \\\
35 000
6000
4256
9000
10 500
///////////////////////////////////
Ле 15 000
4 этап Монтаж внутренних конструкций
15 000
3 этап Гидроизоляционные работы
ми
И
13
Щ
г30001
5 этап
Архитектурно-отделочные работы
Продольный разрез по оси
1 этап среднего тоннеля этап
Перечень основного оборудования и механизмов
Наименование Кол-во Обозн.
1 Комплекс проходческого оборудования КМ-15Гп 1
2 Укладчик по типу ТУ-1КЕ 1
3 Комбайн 4ПП5 1
4 Породопогрузочная машина ППНЗ 1
5 Сбалчиватель пневматический ПСГ-1 6
6 Отбойный молоток мо-юп 20
7 Чеканочный молоток РМ-3 6
8 Вагонетки ВПК-7 10
9 Электровоз К4 2
10 Полущит по типу ППШ-1 1
11 Тележка для гидроизоляционных работ 2
12 Пневмобетононагнетатель ПБН-3,2 2
13 Растворонасос ПН-1 2
14 Перегружатель П-4 2
15 Перегружатель УПл-2 2
Монтажная камера для _
комплекса КМ-15Гп Сооружение бокового тоннеля
Разработка ядра
Возведение свода среднего зала
Сооружение внутритоннельных Архитектурно-отделочные
конструкций работы
285
Сооружение железобетонной плиты
Рис. 8.5. Этапы сооружения колонно-стеновой станции
ля. При возведении станции используется только один технологический комплекс центрального щита, на котором установлено оборудование для удаления разработанного грунта и подачи элементов обделки. Значительно облегчено устройство станционных конструкций, поскольку исключаются вспомогательные операции по раскрытию среднего зала. За счет этого достигается существенная экономия затрат по сравнению с традиционной технологией.
Созданы три типа щитовых агрегатов с трехдисковыми рабочими органами, отличающихся принципом действия рабочих органов боковых щитов и их компоновкой (рис. 8.6): первый и второй типы имеют опережающий центральный рабочий орган, а третий — опережающие боковые.
У агрегатов первого и третьего типов все рабочие органы роторного действия, у второго типа боковые рабочие органы «качающегося» (маятникового) действия. Основные технические характеристики трехдисковых агрегатов приведены в табл. 8.4.
Таблица 8.4
Технические характеристики щитовых агрегатов с трехдисковыми рабочими органами
Характеристика Единица измерения Значения характеристик для агрегатов типа
I 1 1 п 1 1 ш
Центральный щит
Наружный диаметр мм 10 600 10 400 10 060
Длина мм 10 750 10 700 9000
Щитовые домкраты ШТхТ ” 22x300 _12x400 32x300 30x300
Толщина хвостовой оболочки мм 90 80 90
Боковые щиты
Наружный диаметр мм 6540 6520 6540
Длина мм 9540 10 000 12 800
Щитовые домкраты ШТхТ 10x200 11x300 12x300
Толщина хвостовой оболочки мм 90 80 90
Щ итовой агрегат
Ширина мм 15 860 15 840 15 860
Длина мм 10 650 10 700 12 800
Щитовые домкраты ШТхТ ' 10x200 22x300 w 12x400 43x300 42x300
Толщина хвостовой оболочки мм 90 80 90
a
Рис. 8.6. Схемы щитовых агрегатов с трехдисковым рабочим органом: а тип I; б тип II; в тип III; 1 центральный щит; 2 боковой щит
Рис. 8.7. Поперечное сечение станции «Схироганедай» (Япония)
Один из трехдисковых агрегатов использовали на строительстве станции «Схироганедай» и прилегающих к ней перегонных тоннелей до станций «Мегуро» и «Сейсхокомае» линии № 7 «Нанпоку» метрополитена Токио (Япония). Эта линия длиной 21,4 км пересекает город с севера на юг. Северный участок длиной 6,8 км с 6 станциями введен в эксплуатацию в ноябре 1991 г., а строительство южного длиной
14,6 км с 13 станциями закончилось в начале 2005 г.
Агрегат использовали на участке между станциями «Сейсхокомае» и «Мегуро» следующим образом. В первую очередь базовым
центральным щитом прошли двухпутный перегонный тоннель длиной 1780 м от «Сейсхокомае» до «Схироганедай». В демонтажном котловане, расположенном в торце последней, базовый щит преобразовали в трехдисковый агрегат, домонтировав боковые щиты. Затем агрегатом с трехдисковым рабочим органом прошли 120-метровый участок станции «Схироганедай». Платформенная часть ее состоит из центрального путевого тоннеля диаметром 9,8 м и примыкающих к нему тоннелей полуциркульного очертания радиусом 3,14 м, в которых размещаются боковые платформы шириной по 4,1 м (рис. 8.7).
Контрольные вопросы к главе 8
1. Какого типа щитовые камеры и почему применяют при строительстве пилонных и колонных станций?
2. В чем отличие новых технологий сооружения рассечек с помощью прорезных колец от ранее применявшихся?
3. Какие технологические схемы применяют на строительстве пилонных станций при различных типах обделок?
4. Назовите основные особенности сооружения станций с обделкой из металлобетонных блоков.
5. В чем заключается различие технологий строительства колонных станций с прогонами и с клинчатыми перемычками?
6. Какова особенность строительства колонных станций с обделкой из монолитного и сборного железобетона?
7. Приведите основные конструктивно-технологические схемы колонно-пилонной и колонно-стеновой станций.
8. В чем состоят особенности технологии строительства станций с помощью щитовых агрегатов с трехдисковым рабочим органом?
Глава 9. СТРОИТЕЛЬСТВО ОДНОСВОДЧАТЫХ СТАНЦИЙ
Строительство односводчатых станций может осуществляться горным или комбинированным способом. Горный способ основан на проходке боковых штолен с возведением в них опор и разработке сводовой части на полный профиль с устройством монолитной или сборной обделки. Комбинированный способ основан на проходке боковых тоннелей механизированными щитами с возведением в них стен, на разработке и креплении сводовой части при помощи полущита или облегченной крепи и укладчика обделки с разработкой в последнюю очередь ядра и сооружением обратного свода.
9.1. Строительство станций горным способом
Строительство односводчатых станций горным способом в различных горно-геологических условиях подробно изложено в литературе [93, 34.3; 101, 5.2.2; 105, 21.9; 111, 15.3 и др.].
В крепких грунтах горнопроходческие работы следует вести с наименьшим нарушением устойчивости массива. С этой целью после 28-дневной выдержки бетона в стенах выработку раскрывают на высоту, ограниченную условиями последующего возведения обделки. При этом оставляемое ядро должно быть возможно большим, а разрабатываемая часть, наоборот, возможно меньшей. Это ведет к снижению стоимости работ.
Для обеспечения проектного очертания контура выработки и сохранения целостности конструкции следует применять гладкое взрывание с использованием электро детонаторов короткозамедленного действия.
Ядро целесообразно разрабатывать после окончания всех работ в сводовой части. Это позволяет сохранить единый откаточный уровень. Применяемые при этом породопогрузочные и транспортные средства могут быть размещены на верхней или боковых частях ядра. Последующая разработка ядра выполняется высокопроизводитель-
ними полноповоротными экскаваторами с предварительным рыхлением грунта (в случае необходимости) малыми взрывами.
Ввиду больших размеров сечения выработки перемещение грунта на этом этапе работ можно вести по рельсовым путям с петлеобразным их расположением на подвижной плите в головной части забоя ядра. Это обеспечивает непрерывность транспортных работ.
Последний этап по данной схеме осуществляют экскаватором (подчистка) и самоходным краном (укладка обратного свода). Наилучшее выполнение монтажных работ по возведению обделки может быть достигнуто применением специального блокоукладчика, например, дугового с так называемым подъемным столиком или с рычажным устройством [105, рис. 21.14].
9.2. Строительство станций комбинированным способом
Сооружение станций в нескальных грунтах. В Санкт-Петербурге разработана и многократно реализуется односводчатая станция закрытого способа работ с размещением всех сооружений станционного узла под единым сводом. Комплекс включает в себя: собственно станцию, натяжную камеру, совмещенную тягово-понизительную подстанцию, служебные помещения, камеру съездов на конечной станции и др. Широкая островная платформа, перекрытая большепролетным сводом, создает максимальные удобства для пассажиров и богатые возможности для архитектурного оформления.
Строительство односводчатой станции включает в себя следующие технологические операции: проходка боковых тоннелей и возведение в них железобетонных опор, возведение верхнего свода, разработка ядра, устройство обратного свода.
Сооружение боковых тоннелей под опорные фундаменты впервые в практике отечественного метростроения было осуществлено механизированными щитами по принципу сквозной проходки, что исключило необходимость в их монтаже и демонтаже в пределах станции. Однако при этом следует предусматривать возможность поперечного перемещения щитов при помощи передвижных платформ. За короткий период времени предложенный способ проходки боковых тоннелей, так же как и сама конструкция односводчатой станции [111, рис. 5.42] стали достоянием современной техно
логии и конструктивного решения основных станций Санкт-Петербургского метрополитена.
В 1988 г. при строительстве односводчатой станции «Площадь Мира-П» впервые был применен усовершенствованный тип транспортно-проходческого комплекса—АМШ [111, рис. 15.20]. От предшественника АМК-1 он отличается наличием шандорно-арочной крепи, которая выступает его конструктивной частью и предназначена для закрепления кровли выработки.
Основу такой крепи составляют мелкие оболочки — замкнутые герметичные емкости из материалов, легко поддающихся многоцикловым изгибам без потери прочностных свойств. Обычно рабочей средой оболочек служит сжатый воздух, быстро заполняющий их полости под рабочим давлением. При этом легкая оболочка раздвигается, прижимается к грунту и поддерживает его. Получается контакт по большой площади поверхности. Увеличение последней пропорционально уменьшает напряжения в грунте. Начальный рас-пор на единицу площади опоры зависит от избыточного давления сжатого воздуха в полости оболочки [68].
В зависимости от назначения и условий применения мягкие оболочки могут иметь различную форму: подушкообразную, тороидальную, круглую, цилиндрическую. Они используются самостоятельно или в сочетании одна с другой.
Мягкие оболочки как распорные элементы по сравнению, например, с гидростойкой, имеют ряд преимуществ: простота конструкции; трех-пятикратный коэффициент раздвижности; возможность размещения в щели высотой 0,15 м; небольшая масса и минимальная трудоемкость монтажно-демонтажных работ.
Гибкость материала мягкой оболочки позволяет приспосабливаться к неровностям поверхности грунтов, материал повторяет рельеф кровли, площадь контакта приближается к 100 %. С учетом низкого (0,5 МПа) рабочего давления, которое на порядок меньше, чем в гидростойках, мягкие оболочки практически не создают напряжений в грунте, способствуют сохранению его естественной сплошности. Перечисленные преимущества предопределили целесообразность использования мягких оболочек при сооружении объектов Петербургского метрополитена в глинах, требующих крепления.
Все другие типы крепи вследствие большой жесткости контактных поверхностей не могут приспосабливаться к неровностям поверхности грунта и взаимодействуют с ним точечно (например, площадь контакта металлического верхняка с кровлей в момент установки составляет всего 2—3 % площади перекрытия).
Пневматическая механизированная крепь для проходки щелевой прорези представляет собой набор однотипных секций, каждая из которых состоит из металлического кронштейна-основания 1 и закрепленной на нем мягкой оболочки 3 (рис. 9.1).
б
Рис. 9.1. Общий вид пневматической крепи:
а шандорная крепь; б крепление лба забоя пневмооболочками; 1 основание; 2 выдвижной короб; 3 мягкая оболочка; 4 гидродомкрат; 5 расстрел; 6 подвеска (8 10 мм); 7 опорный стержень (диаметром 36 мм)
Секция крепи работает следующим образом: при отсутствии давления сжатого воздуха в полости оболочки подвижная часть втянута упругими тягами внутрь неподвижной. Когда в полость подается сжатый воздух (до давления, обусловленного несущей способностью крепи), вначале раздвигается неподвижная часть оболочки, затем выдвигается подвижная до упора в лоб забоя выработки. В рабочем положении все секции заполнены сжатым воздухом и поддерживают кровлю и верхнюю часть лба забоя.
При подходе породоразрабатывающего органа агрегата к очередной секции крепи полость оболочки соединяется с атмосферой, сжатый воздух стравливается и подвижная часть автоматически входит в неподвижную, освобождая пространство для прохода рабочего органа. По окончании процесса разработки грунта оболочка вновь наполняется сжатым воздухом, ее подвижная часть выходит из неподвижной и закрепляет забой. Пришедший на смену новый агрегат АМШ имеет две каретки с исполнительными органами, перемещающимися вдоль забоя по рейке, укрепленной по нижнему поясу арки укладчика; два бункера (по одному в каждом рабочем тоннеле), установленные на самостоятельный колесный ход впереди укладчика, шандорную крепь и платформу управления.
Работа агрегата АМШ (так же, как и агрегата АМК-1) ведется циклично, с проходкой и креплением верхнего свода станции блоками по 0,5 м. По мере разработки грунта шандоры крепи выдвигают вперед, перекрывая обнаженную кровлю забоя; производят обжатие собранных в своде блоков, агрегат перемещается на 0,5 м, и цикл повторяется. Планограмма работ с использованием агрегата АМШ приведена на рис. 9.2.
Согласно планограмме, время одного цикла, составляющее 10 ч, распределяется следующим образом: разработка забоя и выдвижение шандор — 5 ч, монтаж полукольца — 2,5 ч, разборка обделки опорных тоннелей и подготовка ниш — 1,5 ч, передвижка агрегата на новую заходку — 1ч. Все основные операции выполняются последовательно, без их совмещения во времени. Однако практический опыт показал, что на разработку забоя уходило 3,5 ч вместо 5, а на передвижку агрегата — 20 мин вместо 1 ч. Отдельные из ука-
Условные обозначения:
< । । разработка забоя подготовка обделки опорных тоннелей и ниш
а а выдвижение шандор ки
---- сборка полукольца обделки Ж передвижка агрегата
Рис. 9.2. Планограмма работ агрегата АМШ занных операций удавалось совмещать и достигать скоростей проходки 0,7 м в смену.
Сооружение станций в скальных грунтах. Как уже отмечалось, в условиях Москвы на Тимирязевской линии впервые была построена односводчатая станция глубокого заложения «Тимирязевская». Организация и технология строительства станции были приняты аналогичными петербургским: сооружение опорных тоннелей; возведение стен, несущего свода, торцевых стен; разработка ядра; доработка лотка и устройство обратного свода; выполнение узла примыкания наклонного тоннеля; монтаж внутренних конструкций [97].
Опоры из армированного бетона возводили в заранее пройденных выработках типа перегонных тоннелей с комбинированной сборной обделкой наружным диаметром 5,5 м, внутренним — 5,1 м. Кольца собирали из железобетонных блоков унифицированной обделки и чугунных тюбингов, разбираемых при монтаже верхнего свода. По окончании сооружения опорных тоннелей, демонтажа
укладчиков, чеканки швов блочной обделки и проходки калоттной прорези были развернуты работы по возведению опоры. Ее конструкция представляет собой замкнутый контур из блочной части обделки опорного тоннеля и металлического экрана со стороны станции. Учитывая наличие последнего, а также в связи с трудоемкостью перемещения и установки передвижной металлической опалубки была разработана и применена иная схема крепления контура опоры — посредством устройства через 1 м инвентарных металлических лекал, выполненных из швеллера № 16 и зафиксированных в проектном положении специальными (простыми в изготовлении и использовании) тяжами (рис. 9.3).
Укладку бетона В 25 выполняли заходками по 3—6 м. При этом роль торцевой (для каждой заходки) опалубки играла металлическая мелкоячеистая сетка, прикрепленная к экрану и блокам обделки. Сетка оставалась в опоре, ликвидируя «холодный шов». Для бетонирования опоры применяли бетоноукладчики типа ПБН-1,5 и ПБН-2,0, доставляемые к месту работ тоннельным электровозом. ПБН загружали через материальные скважины, пробуренные и оборудованные в перегонных тоннелях в торце станции. В верхний приемный бункер бетон отгружали только из автобетоносмесителей, при этом тщательно контролировали состояние смеси, ее фракци-
Рис. 9.3. Фрагменты строительства станции «Тимирязевская» с применением проходческих комбайнов:
1 вагонетка ВГ-4; 2 опорные тоннели; 3 комбайн ГПКС; 4 части, дорабатываемые отбойными молотками; 5 комбайн 4ПП-5; 6 части калоттной прорезки, разрабатываемые комбайном 4ПП-5
онность (5 < 20 мм), пластичность и т.д. Бетонирование вели практически непрерывно (на время перерыва на поверхность бетона наносили насечки и ее промывали). Через семь суток после окончания процесса выявляли (простукиванием) зоны «бунения» — пустоты за металлическим экраном. Металлоизоляцию в этих местах рассверливали и дефект устраняли, заполняя раковины раствором под давлением до 0,6 МПа.
При определении величин заходок бетонирования учитывали необходимость несовпадения швов заходок с кольцевыми швами железобетонной обделки. За положением установленной опалубки вели постоянное наблюдение. Бетон укладывали через торец и непрерывно вибрировали.
Плоскости опорных конструкций с внутренней стороны покрывали сплошной сварной гидроизоляцией из стальных листов, загнутых на опорные площадки верхнего и нижнего сводов и заанкеренных в бетон. Стыки между листами заваривали накладками.
Криволинейную штольню между опорными тоннелями проходили буровзрывным способом сразу же по окончании их сооружения (т.е. до начала возведения опорных стен). Разработанный грунт сверху по желобу подавали в опорный тоннель для погрузки.
Размещение и габариты штольни были запроектированы таким образом, что заключили в себя верхнюю часть торцевой стены станции (боковые стойки рам с одной стороны ограничивают внешний контур торцевой стены) с возможностью монтажа 1,5 м несущего свода.
По окончании проходки криволинейной штольни была возведена верхняя часть торцевой стены (на высоту рам крепления — 3,85 м). Получившаяся таким образом железобетонная арка опиралась на правый и левый перегонные тоннели в местах их примыкания к торцу станции. При омоноличивании бетон укладывали на металлическую сетку, натянутую по подошве штольни между стойками рам и металлоизоляцией, обрамляющей стену. Сквозь сетку предусмотрены выпуски арматуры и закладных деталей для наращивания в последующем нижней части стены.
На станции реализована принципиально новая схема разработки грунта и сооружения центральной части станции с применением высокопроизводительного горнопроходческого оборудования: для калоттной прорези — комбайны ГПКСП и 4ПП-2, для ядра—4ПП-5,
для лотковой части — ГПКСП (см. рис. 9.3). Два агрегата ГПКСП должны были осуществить проходку передовых штолен над ше-лыгами сводов опорных тоннелей. Назначение штолен — сократить площадь полностью открываемой перед монтажом блоков свода выработки, упростить крепление (временное) кровли и лба забоя прорези.
Площадь сечения каждой штольни — 13 м2. Конструкция крепления представляет собой А-образную арку из двутавра № 24, состоящую из двух элементов, соединяемых в процессе монтажа болтовым скреплением. Стойки арок устанавливают в лунки глубиной 20 см с шагом 1 м. Выбор конфигурации арки определялся исходя из того, что одной своей гранью она повторяет очертание верхнего свода станции. Междуарочное пространство закрепляется набрызгбетоном. Проходка передовых штолен непосредственно не связана с сооружением свода станции, она как бы автономна, а поэтому может выполняться заранее и зависит только от скорости установки опор в тоннеле.
В связи с задержкой изготовления укладчика было принято решение о выводе комбайнов ГПКСП на верхний рабочий горизонт. Для этого сконструировали специальный пандус из металлопроката с настилом из бревен. Разработанный грунт по транспортеру комбайна, а по мере удаления забоя передовой штольни — и по транспортеру-перегружателю типа УПЛ-2 подавался в бункер, установленный в основании криволинейной штольни, где велась загрузка вагонеток. Так как скорости проходки передовых штолен намного превышали темпы устройства свода станции, в шелыге опорного тоннеля демонтировали по одному тюбингу в двух соседних кольцах, устраивая тем самым «окна», через которые загружали вагонетки. Элементы арок устанавливали при помощи лебедки. Кровлю и лоб забоя калоттной прорези крепили набрызгбетоном с помощью насоса БМ-68. Комплекс оборудования для временного крепления выработок был расположен в одной из подходных штолен. Верхний свод станции монтировали укладчиком УСО-1 конструкции СКТБ Главтоннельметростроя [93, рис. 16.17].
Несомненный интерес вызывает новая технология строительства односводчатой станции «Геологическая» (см. рис. 2.13) Екатеринбургского метрополитена с пролетом свода 23 м [6, 24].
Станция заложена в сильнотрещиноватых скальных грунтах с крутопадающими напластованиями на глубине около 20 м. Возведение ее началось по традиционной схеме с опорных тоннелей и устройства пятовых железобетонных опор свода (рис. 9.4). При этом правый опорный тоннель был пройден буровзрывным способом, левый ТПК «Вирт». До начала сооружения свода станции были выполнены организационно-технические мероприятия по внедрению НАТМ.
Для научного сопровождения строительства был привлечен научно-исследовательский центр тоннелей и метрополитенов (НИЦ ТМ ЦНИИСа), который производил расчеты временной крепи, подбор составов для набрызг-бетонирования, обработку результатов наблюдений за напряженно-деформированным состоянием крепи и грунтового массива. Грунт центральной части станции (ядра) разрабатывали проходческим комбайном «Паурат Е-242» массой 120 т. Для набрызгбетонирования использовалось оборудование «Алива-Штеттер», взятое в аренду у АО «Протонтоннельстрой». Их эксплуатацию осуществляли опытные специалисты этой организации.
Комбайн «Паурат» обеспечивал при разработке забоя ровный контур свода, что позволяло исключить излишнюю концентрацию напряжений в
Рис. 9.4. Этапы строительства станции «Геологическая» (Екатеринбург):
I проходка тоннелей и возведение опорных стен; II разработка грунта свода по технологии НАТМ; III разработка ядра и обратного свода
грунте и конструкциях крепи и реализовать высокие темпы проходки калотты сечением 120 м2, составившие 21 м/мес. Транспортировку грунта от комбайна осуществляли погрузочно-доставочной машиной ЛК-1 в вагонетки либо в скип экскаваторного тоннеля, оборудованного скиповым наклонным подъемником.
Временную арочно-набрызгбетонную крепь возводили с рабочего органа комбайна. Перед сборкой трехстержневой арматурной арки из 12 элементов по своду наносили выравнивающий 3—5-сантиметровый слой набрызгбетона. Затем, после монтажа арки, при помощи комплекса «Алива Штеттер», смонтированного в правом опорном станционном тоннеле, наносили единовременно 20-сантиметровый слой набрызгбетона с выдержкой для набора прочности минимум 3 суток.
Контроль деформаций сжатия по струнным датчикам типа ПЛДС-400 и величин осадок свода позволил обеспечить надежность крепи и определить возможное отставание постоянной обделки от забоя (25—35 м). Строй-лаборатория осуществляла оперативный контроль за составом набрызг-бетонной смеси и дозировкой добавок «Альфа ЖС».
Для монтажа постоянной обделки применяли две передвижные арки-фермы собственной конструкции. С помощью одной из них осуществляли монтаж армоблоков с металлоизоляцией, полуавтоматическую и автоматическую сварку швов изоляции; другая служила для восприятия нагрузки от веса бетона с момента его укладки до набора прочности. Бетон подавали через скважины на два стационарно установленных бетононасоса «Швинг», с помощью которых укладывали в трехметровую заходку постоянной обделки свода объемом 120 м2.
После возведения свода комбайн «Паурат» одновременно разрабатывал грунт ядра и обратного свода станции. Для монтажа и демонтажа комбайна не потребовалось сооружения специальных камер. Комбайн своим ходом был перемещен на станцию через эскалаторный тоннель, а затем по перегонному тоннелю и подходной выработке выехал в околоствольный двор, где был разобран и выдан на поверхность через ствол.
Первый российский опыт использования НАТМ при возведении станции метрополитена в Екатеринбурге показал возможность эффективного применения современной высокопроизводительной техники и оборудования в строительном пространстве, которое обеспечивается новым принципом управления горным давлением в единой системе «крепь — грунтовый массив». Заложенные при проектировании расчетные модели технологии сооружения свода полностью подтвердились в процессе производства работ. Однако, как и при строительстве перегонного тоннеля в Москве, на отдельных участках проходки отмечалось некачественное заполне
ние набрызгбетоном пят свода, что привело к повышенным деформациям крепи.
Строительство двухъярусной пересадочной станции. Большой практический интерес для специалистов представляет технология сооружения одного из уникальнейших пересадочных узлов на линии глубокого заложения в Санкт-Петербурге — двухъярусной пересадочной станции «Спортивная». Примененная здесь технология в основном повторяет использованную для односводчатых станций, хорошо отработанную в С.-Петербурге и имеющую наибольший среди отечественных станций уровень механизации и индустриализации работ.
Строительство нового пересадочного узла также началось с сооружения опорных тоннелей. По схеме сквозной проходки механизированными комплексами были пройдены пилот-тоннели диаметром 5,63 м (рис. 9.5, фаза 1), расширенные до диаметра 9,6 м (фаза 2), и внутри них с применением переставных опалубок и бетононасосов сооружены монолитные бетонные опоры сводов (фаза 3).
Верхнюю часть сечения с монтажом несущего свода проходили ка-лоттной прорезью механизированным агрегатом (фазы 4, 5), аналогичным агрегату односводчатой станции. Грунт ядра (фазы 6, 7) разрабатывали стреловыми горнопроходческими комбайнами двумя уступами, грунт лотка выбирали гидравлическим тоннельным экскаватором (фаза 8), оснащенным обратной лопатой. Монтаж обратного свода (фаза 9) вели передвижной кран-балкой. Такими же кран-балками монтировали
Рис. 9.5. Последовательность сооружения двухъярусной пересадочной станции:
1... 9 фазы строительства
внутристанционные конструкции и навешивали водозащитные армоце-ментные зонты. Уровень механизации разработки грунта достиг 80 % , монтажных работ 100 %.
Выполнение всех работ было организовано по поточной схеме с совмещением различных этапов во времени. Работы велись наступающим (от наклонного хода к противоположному концу станции) фронтом.
Поддержание высоких темпов проходки диктовалось необходимостью быстрейшего замыкания конструкции высотой 20,25 м и шириной в свету 2010 м обратным сводом, уменьшения ее деформаций, а, следовательно, снижения осадок земной поверхности и расположенных на ней сооружений. В зоне влияния строящейся станции на поверхности находились чувствительные к осадкам большой крытый спортивно-концертный зал «Юбилейный» и береговой устой Тучкова моста через русло р. Малой Невы. За этими сооружениями маркшейдерская служба вела непрерывное наблюдение. В результате принятых технологических мер эти сооружения не претерпели никаких деформаций.
9.3. Общие рекомендации по строительству односводчатых станций
Опыт сооружения односводчатых станций закрытым способом позволяет сформулировать некоторые общие рекомендации, сводящиеся к следующему.
При строительстве односводчатых станций обязательно предварительное устройство опорных частей свода. Сечение штолен или тоннелей для опорных частей свода должно быть достаточным для укладки в них откаточных путей после возведения станционных опор. Для удаления грунта из забоев станционных тоннелей следует предусматривать машины и механизмы, обеспечивающие непрерывность удаления грунта в сторону готового тоннеля. Это же можно делать через дополнительные выработки.
Способ разработки и крепления забоя устанавливается в ППР в зависимости от свойств разрабатываемых грунтов и имеющихся средств механизации работ. Разработку устойчивых нескальных и некрепких скальных грунтов следует вести преимущественно проходческими комбайнами и специализированными механизированными агрегатами, крепких скальных грунтов — буровзрывным способом. При этом работы необходимо вести последовательно от верхней части забоя к нижней. В условиях щитовой проходки при наличии устройств, разделяющих забой на ярусы, допускается одновремен
ная разработка грунта в нескольких ярусах. Если есть предварительно пройденная штольня или пшют-тоннель, уборку грунта можно осуществлять через указанные выработки (вперед).
При бесщитовой проходке станционных тоннелей или верхней части профиля односводчатой станции необходимо обеспечить защиту рабочих мест от падающих отслаивающихся кусков грунта с кровли, с боков выработки и со лба забоя. Защитные ограждения должны соответствовать паспорту крепления. Щит при проходке должен быть оснащен приспособлениями для крепления кровли и лба забоя. Механизированные щиты, применяемые при проходке перегонных тоннелей, примыкающих к станции, следует использовать и для проходки опорных тоннелей, которая при строительстве односводчатых станций должна осуществляться в соответствии с требованиями на проходку перегонных тоннелей.
Бетон в опоры односводчатых станций следует укладывать отдельными участками при его непрерывной подаче. В случае перерывов в работе поверхность бетона необходимо обрабатывать насечкой с промывкой перед последующим бетонированием. Швы между участками бетонирования не должны совпадать с кольцевыми швами сборной обделки свода. Распалубку опор необходимо производить после достижения бетоном не менее 15 % проектной прочности. После снятия опалубки следует произвести контрольное простукивание поверхности опорных листов, и при выявлении зон отлипания от бетона заполнить пустоты нагнетанием цементного раствора через просверленные в листах отверстия.
Верхний свод следует возводить при достижении бетоном опор не менее 75 % проектной прочности. Для облегчения установки замковых блоков свода односводчатой станции необходимо предварительно уплотнять стыки между блоками усилием 300.. .400 кН с помощью гидродомкрата, установленного вместо замкового блока.
Перед первичным разжатием арки каждый ее блок следует расклинить в затяжку кровли или непосредственно в кровлю не менее чем в 4 точках равномерно по всей длине блока. Для предотвращения выпирания арки из плоскости в сторону забоя блоки необходимо распирать в лоб забоя винтовыми домкратами или притягивать форкопфами к ранее установленным аркам.
Каждую арку следует разжимать в два этапа нагнетанием цементного раствора в плоские домкраты замкового блока. Первичное
разжатие арки следует производить непосредственно после ее монтажа и расклинивания, окончательное — после заполнения пустот за аркой нагнетанием тампонажных растворов, но не позднее, чем через 6 ч после начала нагнетания за данную арку. Требуемая величина давления нагнетания в плоские домкраты, предварительная величина раскрытия шва замкового блока, а также составы применяемых растворов должны определяться ППР.
При монтаже арок верхнего свода допускается только вертикальная эллиптичность. Высотная отметка шелыги свода после первичного разжатия арки не должна превышать проектную более чем на 75 мм. Зазоры между блоками соседних арок не должны превышать 40 мм, а уступы между арками — 50 мм. Боковое или верхнее опережение арок должно находиться в пределах 30 мм.
Перед монтажом обратного свода поверхность выработки необходимо выровнять песчаной подсыпкой или бетонным слоем толщиной 5—10 см. Блоки обратного свода следует укладывать последовательно в обе стороны в направлении от замка к опорам, с установкой вместо замкового блока временного шаблона и гидравлического домкрата, предназначенного для обжатия арки и уплотнения стыков между блоками.
Первичное нагнетание цементно-песчаного раствора следует осуществлять по всему контуру за каждое монтируемое кольцо станционного тоннеля или группу арок (2—3 шт.), начиная с нижней части кольца. При монтаже обратного свода односводчатой станции первичное нагнетание производят за вторую установленную арку. Порядок нагнетания, состав растворов, предельное давление и другие параметры должны определяться ППР.
При сооружении односводчатых станций в скальных и устойчивых нескальных грунтах проходка тоннелей может осуществляться новоавстрийским методом, основными элементами которого являются: использование набрызгбетона для временного крепления выработок, устройство двойной обделки (первичной — набрызгбетон-ной и постоянной бетонной или железобетонной) и контроль напряженно-деформированного состояния временного крепления в процессе строительства. Сооружение тоннеля с использованием НАТМ обязательно с механизированной разработкой грунта с использованием горнопроходческих комбайнов. Установке арок и
армосетки временного крепления должно предшествовать нанесение выравнивающего слоя набрызгбетона толщиной не менее 2—3 см. Доработку грунта под пяты очередной арки следует осуществлять механизированным ручным инструментом по отметкам маркшейдерской службы. Расчетный слой набрызгбетона временной крепи наносится по армосетке, прижатой к изоляционному слою, после приемки арки и фиксирования переборов контура предыдущей за-ходки, на которую будет нанесен изоляционный слой.
Сроки схватывания набрызгбетона должны задаваться в диапазоне 60—150 с. Его прочность на сжатие через 6 мин должна быть не менее 0,1 МПа, через 15 мин — 0,2 МПа, с последующим двукратным увеличением времени (30 мин, 1 ч, 2 ч) возрастать на 0,1 МПа.
Для набрызгбетонирования используют машины с регулируемой производительностью (подачей смеси). Скорость подачи и давление в машине определяются опытным путем. Максимальный размер частиц заполнителей назначают с учетом технических характеристик машины, но не более 15 мм. Расстояние от сопла до бетонируемой поверхности — не менее 1,0 м. Перед нанесением выравнивающего и основного слоя набрызгбетона для повышения сцепления необходимо обработать поверхности водным раствором специального состава. Минимальная температура заполнителей и воды затворения при производстве набрызгбетонирования — не ниже +15 °C. В качестве добавок-ускорителей схватывания бетона при набрызгбетонирова-нии рекомендуется использовать композицию из жидкого стекла и состава «Альфа». Состав и объем комплексной добавки определяют лабораторным путем.
Сухую смесь набрызгбетона готовят на заводе ЖБК по разработанной рецептуре. Смесь с естественной влажностью (но не более 6 %) приготовляют в бетоносмесителе принудительного действия в течение 1,5—2,0 мин и транспортируют на стройплощадку миксерами. Заполнители и вяжущее перемешивают в смесителе принудительного действия не менее 1,5 мин вблизи укладки бетона. В процессе набрызгбетонирования обязателен входной контроль качества цемента, заполнителей, добавок, состава набрызгбетона, режимов его нанесения, прочности набрызгбетона в раннем и расчетном возрастах, заданной водонепроницаемости. Местные неровности криволинейной поверхности не должны превышать 5 см.
При использовании НАТМ следует контролировать деформации стен и кровли выработки с измерением действующих на крепь нагрузок и вызываемых ими деформаций. Документация на НАТМ должна включать в себя программу и методику инструментальных наблюдений за напряженным состоянием временной крепи и характером его изменения во времени.
Постоянную обделку армируют заранее подготовленными сетками или каркасами массой не более 75 кг с установкой вручную и соединением стыков вязальной проволокой. В качестве фиксаторов положения арматуры рекомендуется использовать специальные кронштейны, скобы или пружины из пластмассы, изделия из цементнопесчаного раствора или асбоцемента. При выполнении арматурных работ обязательны меры по предотвращению повреждения уложенной гидроизоляции.
При выполнении работ по бетонированию обделки техническую эксплуатацию бетоноукладочных машин и бетоноводов следует осуществлять в соответствии с техническими условиями и инструкциями заводов-изготовителей. Бетонирование лотковой части следует вести участками длиной 4—6 м с выдержкой бетона в опалубке в течение 2—3 сут. Стены и свод бетонируют с отставанием от бетонирования лотка на 8—12 м одновременно участками по 4—6 м с помощью передвижной или переставной цельносекционной опалубки. Конструкция опалубки должна обеспечивать возможность возведения обделки одновременно с проходкой тоннеля. В боковых стенках опалубки должны быть предусмотрены окна, а в своде — отверстия для подачи бетона. Бетон за опалубку подают в два этапа: сначала симметрично с двух сторон на высоту примерно до 3,5 м, затем — в оставшуюся часть стен и свода. После первого этапа необходимо выполнить вибрирование смеси для ее уплотнения и осадки. Уплотнение бетонной массы рекомендуется производить глубинными и накладными вибраторами.
При температуре воздуха в подземной выработке менее +10 °C для обеспечения набора прочности бетона в заданные сроки необходим подогрев укладываемой бетонной смеси, обеспечивающий температуру ее во время укладки не ниже +10 °C.
Поверхность бетона обделки после распалубки периодически увлажняют распылением влаги или поливкой водой: первый раз
через 2—3 ч после снятия опалубки, затем 1 раз в сутки в течение не менее 7 дней. Распалубку осуществляют после достижения бетоном 70 % проектной прочности.
Конструкция деформационных швов должна определяться проектом в зависимости от характера и величины взаимной температурной усадочной или сейсмической деформации. Расстояние между швами должно быть не более 60 м.
Контрольные вопросы к главе 9
1. В какой технологической последовательности сооружают односводчатые станции горным способом?
2. В чем заключается сущность комбинированного способа строительства односводчатых станций?
3. Какие существуют способы проходки калоттной части односводчатых станций в различных грунтах?
4. Как работает пневматическая крепь?
5. Каковы особенности строительства односводчатых станций в скальных грунтах?
6. Назовите основные этапы сооружения двухъярусной пересадочной станции.
7. В чем заключаются особенности строительства односводчатых станций с применением НАТМ?
8. В течение какого времени бетон следует выдерживать в опалубке?
Глава 10. МОНТАЖ ВНУТРИТОННЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И УСТРОЙСТВ
10.1. Общие положения
К внутритоннельным конструкциям относят комплекс сооружений, предназначенный для приема пассажиров и обеспечения движения поездов метрополитена. В него входят: бетонное основание под пути, кабельные каналы, пассажирские платформы с платформенной частью, путевые и торцевые стены станции, внутренние перегородки служебных помещений, водозащитные зонты, облицовочная обстройка тоннельной обделки и др. (рис. 10.1).
Платформой станции служит настил из железобетонных плит, опирающихся со стороны пути на подплатформенные стены, а с противоположной стороны — на балки, уложенные вдоль внутренней стены тоннеля. В проемах плиты укладывают поперек прохода на балки, опирающиеся на бетонные столбики. Платформенные стены собирают из таких же блоков, как и путевые стены. Под платформой среднего тоннеля эти стены образуют служебно-технические помещения. При замене обратного свода плоской железобетонной
Рис. 10.1. Внутристанционные конструкции метрополитена:
1 путевая стена с кабельными блоками; 2 цоколь; 3 путевой бетон; 4 жесткое основание; 5 сборная железобетонная платформа; 6 подплатформенная стенка; 7 служебное помещение; 8 бетонная опора; 9 специальный вентиляционный канал; 10 железнодорожный путь
плитой блок служебных помещений (БСП) располагают в отдельном тоннеле.
Путевые стены являются обстройкой обделки станционных тоннелей со стороны пути и предназначены для отделки. Через каждые 50 м в путевой стене делают закрываемые декоративными дверями разрывы для осмотра кабелей, проложенных между обделкой тоннеля и путевой стеной.
Водозащитные зонты служат для сбора воды, проникающей через тоннельную обделку, и отвода ее в дренажную систему. Зонты собирают из асбоцементных, армоцементных, дюралюминиевых или стеклопластиковых листов («картин») криволинейного очертания, прикрепленных на специальных подвесках к обделке свода тоннеля. Водозащитные зонты из стеклопластиковых листов, а также ар-моцементные зонты, собираемые из двух элементов, не требуют трудоемких отделочных работ.
Обстройка тоннельной обделки предназначена для придания архитектурных форм несущим конструкциям на станции. В пределах обстройки устанавливают вентиляционные короба и решетки для выпуска воздуха. Обстройка может выполняться из кирпича, железобетонных плит, металлического каркаса с обшивкой асбоцементными листами. На обстройке крепят детали архитектурной отделки станции — облицовочные плиты, алюминиевые панели, витражи, мозаичные панно и т.п.
Покрытие платформы станции на ширине 60 см от края устраивают кованым под мелкую бучарду гранитом. Затем ближе к центру платформы устраивают полосу из контрастного материала шириной 10 см, а на расстоянии 120 см от края платформы — полосу гранита с шероховатой поверхностью и со снятыми фасками, выступающую на 5 мм из плоскости пола для обеспечения ориентации на платформе слабовидящих и слепых.
10.2. Монтаж внутритоннельных конструкций
Монтаж конструкций на станциях пилонного типа. К числу наиболее трудоемких видов работ при строительстве метрополитена относится обустройство станционных тоннелей, прежде всего монтаж конструкций, включающий в себя укладку лотковых блоков ЛЖО основания массой около 2 т, установку горизонтальных и вер
тикальных панелей перронов и балок, а также выгрузку и укладку жидкого бетона, различных строительных материалов и оборудования. Долгое время эти процессы выполняли с применением талей, блочков, лебедок или вручную. Все более широкое применение для этих целей находят различные манипуляторы.
Очередность возведения внутритоннельных конструкций и устройств должна быть взаимоувязана с общим графиком работ по постройке станции. Например, при сооружении станции пилонного типа с обделкой из чугунных тюбингов такие работы выполняются в следующем порядке.
Торцевые стены такой станции можно сооружать одновременно с проходкой станционных тоннелей, а бетонное основание пути — сначала на глухих участках боковых тоннелей, где исключена возможность деформации тоннельной обделки при раскрытии проемов. На проемных участках работы выполняют после сооружения среднего тоннеля, раскрытия проемов и чеканки швов обделки всех трех тоннелей. Торцевые стены сооружают в местах примыкания станционных тоннелей к перегонным, а также в конце среднего станционного тоннеля.
Конструкция торцевой стены обычно состоит из сваренных между собой металлических листов толщиной 8—10 мм, прикрепленных на болтах к торцам тюбинговой обделки. К листам со стороны, обращенной к грунту, приваривают зигзагообразные анкеры из арматурной стали. По мере наращивания и сварки металлических листов приступают к бетонированию пространства между грунтом и листами. В листы вваривают патрубки для нагнетания за обделку цементного раствора.
Во избежание выпучивания внутрь тоннеля листы при бетонировании раскрепляют. К поверхности листов, обращенной к тоннелю, приваривают металлические прутья, а затем покрывают слоем цементной штукатурки или торкрета.
Жесткое основание для укладки путей выполняют из бетона класса В7,5. Предварительно лоток тоннеля очищают от грунта, промывают, подтягивают болты, очищают все швы между тюбингами пескоструйным аппаратом и чеканят швы. После этого лотковую часть сдают под укладку бетона. Бетон доставляют непосредственно к месту укладки в вагонетках по узкоколейным путям.
Бетонирование жесткого основания ведут последовательно, используя инвентарную опалубку. Бетон укладывают с тщательной трамбовкой электровибраторами. После устройства жесткого основания в боковых тоннелях станции прокладывают пути метрополитена. Во время строительных работ на станции пути метрополитена используют для доставки материалов и приспособлений.
Путевую (внешнюю) стену бокового тоннеля станции сооружают вслед за укладкой жесткого основания. Путевая стена используется как коллектор транзитных кабелей и одновременно закрывает собой ребристую поверхность тюбинговой обделки. Нижняя часть путевой стены (см. рис. 10.1) состоит из цоколя, выполненного из монолитного бетона, и уложенных на него на цементном растворе железобетонных коллекторных блоков с двумя продольными цилиндрическими каналами для кабелей.
Первые два нижних ряда блоков устанавливают на ребро и заливают цементным раствором. Этим создается связь между ними и тюбинговой обделкой тоннеля. Следующие семь рядов блоков укладывают плашмя также на цементном растворе, с дополнительным креплением их к обделке анкерами. Далее укладывают блоки верхнего ряда и монтируют железобетонный карниз, который одновременно является дренажным лотком. По нему вода отводится в нижнюю часть тоннеля через вертикальные трубы. Блоки коллектора и сборного железобетонного карниза монтируют передвижным краном на тележке, которая передвигается по путям метрополитена или по специальному временному пути. Блоки укладывают захватками по 50 м, одновременно не более трех рядов. После завершения одной захватки правильность установки проверяют, пропуская через каждый канал металлический шар. Карнизы устанавливают с тщательным замоно-личиванием швов между отдельными сборными элементами и соблюдением проектного продольного уклона дренажного лотка внутри карниза. Все воронки дренажных труб должны быть разделаны с полным обеспечением плотности их соединения с дренажными каналами. Цоколь путевой стены штукатурят, остальную ее часть оформляют в соответствии с архитектурным проектом станции.
Работы по устройству пассажирской платформы начинают с бетонирования опор и монтажа подплатформенных балок. Сборные элементы плит и продольных балок укладывают краном. Швы между
плитами замоноличивают цементным раствором. Планировка служебных помещений, размещаемых под платформой, определяется проектом. Отдельные помещения, коридоры и коллекторы разделяют стенами из пустотелых железобетонных блоков, которые в то же время являются опорами для элементов платформы среднего тоннеля.
Для создания гладкой внутренней поверхности, а также отвода воды, проникающей через обделку, своды станционных тоннелей перекрывают водозащитными зонтами (рис. 10.2).
а
Рис. 10.2. Устройство водозащитного зонта в станционных тоннелях: а поперечный разрез по оси проема; б схема для подвески зонта в среднем тоннеле
Высоту пространства между зонтом и обделкой тоннеля назначают по условию проветривания. В этом же пространстве пропускают трубы дренажные и для осветительной электропроводки. До устройства зонтов поверхность тюбингов должна быть очищена от окалины и ржавчины и покрыта цементным молоком или другим антикоррозионным составом.
Гладкие асбоцементные водозащитные зонты толщиной до 12 мм состоят из отдельных картин длиной 1,8—1,9 м и шириной, равной ширине двух колец обделки. Стыкование картин осуществляют внахлестку, для чего по их краям имеются выгибы (высадки). Зонт монтируют с передвижных тележек последовательно по уклону станции. Картины крепят к тюбингам обделки болтами (завинчиваемыми в отверстия в бортах тюбингов) или металлическими стержнями с нарезкой на одном конце. Картины до их установки окрашивают с выпуклой стороны битумной мастикой, с внутренней стороны делают насечку для штукатурки.
В проемах станции устанавливают картины, изготовленные в соответствии с размерами и очертанием проема. Конструкция этих зонтов та же, что и нормальных станционных. При необходимости в зонтах устраивают отверстия для вентиляционной решетки или осветительной арматуры; вокруг отверстия делают из цемента возвышение (буртик), препятствующее доступу к нему воды, стекающей с зонта.
Каждый участок с установленным зонтом испытывают на водонепроницаемость поливкой со стороны обделки струей воды из водопровода. Поверхность зонта со стороны тоннеля покрывают гладкой штукатуркой и окрашивают клеевой краской. Во избежание образования трещин на штукатурке от усадки картин или деформации тоннеля зонты могут быть изготовлены без штукатурки, с готовой офактуренной архитектурной отделкой и окраской поверхности на заводе. Швы между картинами в этом случае перекрывают архитектурно оформленными накладками и гайками-розетками. Все металлические детали крепления зонтов изготовляют из оцинкованной или хромированной стали, не поддающейся коррозии.
На станциях Санкт-Петербургского метрополитена применяют армоцементные зонты, состоящие из двух полуарок толщиной 20 мм и шириной 1,63 м.
Отделочные работы, как правило, ведут сразу же за установкой основных конструкций. Так, например, вслед за сооружением платформ (особенно в глухих частях станции) устанавливают мраморную или керамическую облицовку стен. При отделке станций мрамором, плиткой или гранитом, во избежание повреждений поверхностей при производстве монтажных и строительных работ особое внимание следует обращать на своевременное покрытие готовой поверхности защитным слоем (мелом, бумажными листами, деревянным настилом, рогожей, опилками и т.д.). При облицовке следует строго выдерживать установленные габариты облицовочных материалов, не допуская применения утолщенных плит, защитного слоя разной толщины и других отклонений от проектных размеров.
При облицовке стен мрамором плиты фиксируют проволокой на штырях, укрепленных в облицовочной стенке толщиной в 1/2 кирпича, или же на армированных асбоцементных листах оформления проемов, закрепленных на металлических стержнях к тюбинговой обделке тоннеля. После закрепления и выверки положения плит за них заливают цементный раствор. В некоторых случаях мраморные плиты ставят «на относе» от кирпичной стенки, т.е. без заливки цементным раствором, оставляя пустоты за облицовкой. В этих случаях применяют специальное крепление. Такая технология реализуется с целью не допустить соприкосновения плит с бетоном, который может увлажниться подземными водами, вызвав изменение окраски мрамора и снижение его качества.
Гранитные полы укладывают на цементном растворе с тщательной подгонкой и притеской кромок для создания правильных геометрических очертаний рисунка пола. Цементные и мраморные карнизы крепят только к основной тоннельной конструкции, с предварительным заполнением ячеек тюбингов бетоном и закладкой анкерных связей. К асбоцементному зонту никаких деталей не прикрепляют. Дерево при отделочных работах в тоннелях может использоваться для покрытия полов (паркет) в служебных помещениях, а также для устройства дверей и поручней. Все детали дверных коробок и полотен подвергают специальной обработке противопожарным составом и тщательной сушке.
Монтаж внутристанционных конструкций с помощью манипуляторов. Одним из перспективных направлений механизации работ
по монтажу внутритоннельных конструкций является использование при их выполнении различных манипуляторов.
В частности, при строительстве ст. «Дмитровская» Серпуховско-Тимирязевской линии Московского метрополитена (см. п. 8.3) проектом производства работ предусматривалось использование манипуляторов в качестве мобильных грузоподъемных механизмов при монтаже внутренних конструкций двух боковых и среднего тоннелей [123].
Манипуляторами «Штрек-5» (работал в боковых тоннелях) и ПМП (работал в среднем тоннеле) осуществляли разгрузку с доставочных средств сборных железобетонных элементов жесткого основания пути (блоки ЛЖО) и станционных платформ (блоки МС-7Ш, плиты МС-11-С2, ПП-15, балки БПП-1, БПП-3, М-1) с одновременной их установкой в проектное положение.
«Штрек-5» в собранном виде опустили в шахту по грузоспускному отсеку ствола шахты; электрооборудование и навесной инструмент в клети. Сборочные единицы манипулятора ПМП подавались в шахту также по стволу; электрооборудование, навесной инструмент и рабочий орган с полноповоротным кругом в клети. Узлы манипуляторов от ствола к месту работ доставляли электровозом с погрузкой на блоковозки.
Схемы размещения манипуляторов в тоннелях станции «Дмитровская» при монтаже внутритоннельных железобетонных конструкций представлены на рис. 10.3.
Необходимость применения в среднем тоннеле манипулятора ПМП объясняется тем, что его портальная конструкция обеспечи-
Рис. 10.3. Схема размещения манипуляторов при монтаже ж/б конструкций:
1 левый станционный тоннель; 2 средний тоннель; 3 правый тоннель;
4 блок ЛЖО; 5 манипулятор «Штрек-5»; 6 платформа; 7 манипулятор ПМП
вает возможность пропускать транспорт и технологическое оборудование, более удачно вписывается в технологию установки стеновых блоков, когда сначала монтируют крайние ряды, а затем средние, и, кроме того, позволяет быстро ориентировать манипулятор в пространстве, особенно — по высоте.
В табл. 10.1 приведены средние показатели продолжительности, трудоемкости и доли ручного труда при монтаже различных элементов конструкции платформ боковых и среднего тоннелей с применением манипуляторов «Штрек-5» и ПМП.
Таблица 10.1
Технико-экономические показатели работы манипуляторов на один цикл
Операция «Штрек-5» ПМП (средний тоннель) Доля ручно-го труда, %
продолжительность, мин трудоемкость, чел.-мин продолжительность, мин трудоемкость, чел.-мин
Установка блока жесткого основания ЛЖО 10 40 11
Установка стенового блока платформы МС-7Ш 7 24 10 30,5 10 15
Установка балки БПП-1 (БПП-3, М-1) 6 24 10,2 36,4 10
Установка платформенной плиты ПП-1Б 6,3 20,6 10
Установка панели МС-11 (МС-11-С2) платформы 0,75 4 10 35,5 10
Манипулятор «Штрек-5» перемещается по рельсовому пути, а ПМП передвигается своим ходом, опираясь лыжами на лоток тоннеля (см. табл. 8.3). Монтаж конструкций станционного тоннеля ведет бригада проходчиков (монтажников) при двух- и трехсменном режимах работы и пятидневной рабочей неделе. Звено проходчиков состоит из оператора и двух-трех проходчиков, при необходимости привлекается машинист электровоза. В табл. 10.2 даны выполненные за период промышленной проверки объемы работ и достигнутые технико-экономические показатели.
Хронометражные наблюдения показали, что период эксплуатации манипуляторов в течение смены в среднем равен 1,5—2 ч. Ос-
Таблица 10.2
Основные технико-экономические показатели работы манипуляторов
Показатель «Штрек-5» ПМП
правый тоннель левый тоннель
Монтаж станционных платформ, м 160 130 60
Объем уложенного сборного железобетона, м3 238,8 169,6 76,0
Число смонтированных элементов, шт. 520 422 258
Общая продолжительность работ, смена, 68 36 43
в т.ч.:
спуск, монтаж и доставка манипулятора 3 2 5
монтаж станционной платформы 65 34 38
Общая трудоемкость работ, чел.-смен/м 270 144 167
в т.ч.:
спуск, доставка и монтаж манипулятора 10 8 15
монтаж станционной платформы 260 136 152
Удельная трудоемкость сооружения платформы, чел.-смен/м 1,6 1,1 2,5
Скорость монтажа платформы, м/смену: средняя 2,5 3,8 1,6
максимальная 8,0
Продолжительность труда проходчика на монтаже, м/чел.-смен 0,62 0,95 0,40
Уровень ручного труда, % 10 12 10 12 10 15
новная причина низкого коэффициента использования машинного времени (20—30 % продолжительности смены) — неритмичная и недостаточная по количеству поставка элементов конструкций. Необходимо также отметить, что показатели продолжительности и трудоемкости выполнения отдельных процессов зависят от степени освоения операторами приемов управления манипуляторами и приобретения монтажниками навыков работы с ними.
В 1993 г. опытный образец манипулятора МНР на рельсовом ходу использовался при устройстве внутренних конструкций левого бокового тоннеля ст. «Римская» в Москве. С помощью манипулятора МНР, работающего в крановом режиме, смонтировали 197 элементов ЛЖО жесткого основания и платформы при общих трудозатратах 112 чел.-смен и уровне ручного труда 10—14 %. Продолжительность установки одного элемента, согласно хронометражным наблюдениям, составляла: блока ЛЖО 6— 15 мин, стенового блока МС-7Ш платформы 3—8 мин, опорной балки ВПП-1 4—6 мин, платформенной плиты перекрытия ПП-2 2,5—7 мин. Оценка
трудоемкости монтажа внутритоннельных конструкций с применением манипуляторов МПР по сравнению с УМК и лебедками показывает, что этот показатель в случае применения манипулятора МПР ниже в 1,66 и 2,2 раза соответственно. Второй опытный образец манипулятора МПР был внедрен на строительстве московской ст. «Крестьянская застава».
Накопленный опыт эксплуатации манипуляторов позволяет рекомендовать их для массового применения при монтаже внутритоннельных конструкций станционных комплексов метрополитенов.
10.3. Устройство пути и контактного рельса
Укладка пути из одиночных рельсов. Укладка ВСП включает в себя следующие работы: спуск и прием укладочных материалов и перемещение их в тоннелях; монтаж рельсошпальной решетки из одиночных (монтажных) рельсов; рихтовка (выправка в плане и профиле) и раскрепление пути; укладка путевого бетона; монтаж и балластировка стрелочных переводов; монтаж контактного рельса; замена одиночных рельсов на сварные плети.
К месту укладки рельсы доставляют через портал тоннеля на тележках, по стволу или наклонному эскалаторному тоннелю — на канатах. Для выполнения погрузо-разгрузочных операций, перемещения длинномерных материалов волоком при укладке и демонтаже путей применяют грузоподъемное устройство на рельсовом ходу УПР-1 [93, рис. 23.1 и прил. Б.5]. По тоннелям рельсы перемещают на тележках, оборудованных специальными винтовыми захватами.
Шпалы грузят по 6—8 шт. на тележки узкой колеи, спускают в клети и доставляют к месту укладки электровозом. Возможен также спуск шпал на канате по лесоспуску. Балластные материалы подвозят опрокидными вагонетками. Укладку пути начинают с распределения по лотку тоннеля шпал с накладками и монтажных бетонных кубиков. Одиночные рельсы устанавливают на кубики и краской отмечают на рельсах положение осей шпал, затем навешивают шпалы одним концом на поднятый рельс, окантовывая его в реборды подкладок и закрепляя штырями. Аналогичным способом подвешивают другие концы шпал, после чего передвигают рельсошпальную решетку на проектную ось. Для этого решетку поднимают домкратами, извлекают монтажные кубики и опускают на лоток тоннеля. Затем с помощью домкратов рельсошпальную решетку вновь
поднимают на 10—15 см, подводят под нее монтажные бетонные кубики и убирают домкраты. Точную подгонку рельсовых нитей по высоте осуществляют подбивкой клиньев.
Установив деревянные межрельсовые распорки, с помощью распорных домкратов и труб раскрепляют рельсошпальную решетку. Вращением рукояти домкрата рельс сдвигают в нужную сторону, одновременно выполняя его окончательную рихтовку.
После раскрепления и рихтовки пути устанавливают деревянную или инвентарную стальную опалубку лотка и противоугонных гнезд и монтируют временный путь узкой колеи. Лоток тоннеля очищают от строительного мусора и промывают струей воды (под напором). Все рельсовые скрепления и стыки для предохранения от попадания бетона укрывают инвентарными металлическими кожухами, подошвы рельсов смазывают смесью мазута и керосина, винты распорных домкратов покрывают гидроизолом. Непосредственно перед укладкой бетона маркшейдеры еще раз проводят инструментальную проверку положения пути в плане и профиле. Бетонирование пути необходимо вести участками не менее 25 м с тщательным уплотнением уложенной бетонной смеси вибраторами, не допуская образования раковин и пустот под шпалами.
При бетонировании постоянных путей метрополитена в перегонных и станционных тоннелях применяют технологический комплект ТК-4 (нормокомплект) средств малой механизации, предусматривающей состав звена из 12 чел. [93, табл. 23.30]. Бетон из автосамосвалов или автомиксеров принимают с последующей передачей его в тоннель, как правило, через материальную скважину с помощью специальных устройств УПБ2 [93, с. 260].
Для транспортирования бетона по тоннелю, с выгрузкой его самотеком в бетонируемое основание постоянных путей метрополитена, применяют бункерную тележку ТБ2. Смесь разгружают из тележки через затворы равномерно в обе стороны, разравнивая и тщательно подбивая ее под шпалы глубинными вибраторами. У стен тоннеля в свежеуло-женном бетоне устраивают водоотводные канавки с помощью шаблона из трубы диаметром 60 мм (разрезанной вдоль). Вибрирование бетона ведут до появления на его поверхности цементного молока.
После уплотнения бетона поверхность его заглаживают мастерком, рельсы и шпалы очищают от бетона, снимают защитные
кожухи со стыков скреплений и переносят кожухи на следующий участок. Качество укладки путевого бетона проверяют простукиванием, обнаруженные при этом пустоты под шпалами заполняют цементным раствором с помощью ручного гидропресса через пробуренные в бетоне отверстия. Распорные домкраты, опалубку водоотводного лотка с противоугонных прямиков следует снимать только при достижении путевым бетоном не менее 50 % проектной прочности.
Обнаруженные под шпалами-коротышами пустоты следует заполнять цементно-песочным составом 1:2, нагнетая его ручным насосом через пробуренные в бетоне отверстия.
Передвижение людей и подвижного состава по забетонированному пути допускается при достижении бетоном 30 % проектной прочности при весе транспортной единицы до 0,5 т и 70 % — при весе, превышающем 0,5 т.
Дренажный лоток профилируют с помощью специального шаблона, протягивая его по лотку. Для упрочнения бетонных поверхностей выполняют их железнение, для чего поверхность смачивают водой, посыпают цементом и затирают для получения темно-серого цвета.
После окончания всех бетонных и отделочных работ рельсы и скрепления протирают ветошью, смоченной в смеси мазута с керосином, а поверхность и торцы шпал и шпал-коротышей смазывают креозотом. Бетонирование пути ведут в однопутных тоннелях сразу на всю ширину, а в двухпутных — от каждой стены до середины междупутья. Протяженность участка непрерывного бетонирования составляет 25—100 м. После бетонирования пути укладывают стрелочные переводы и съезды.
Определенный интерес представляет устройство ВСП в перегонных тоннелях в зоне «Размыва» С.-Петербургского метрополитена [37].
Основание под путь запроектировано в виде мощной железобетонной плиты (рис. 10.4), рассчитанной в продольном направлении как неразрезная балка. Под ней по обделке уложена пленочная гидроизоляция. Между железобетонной плитой и балластным корытом устроен специальный виброгасящий слой из демпфирующих матов. Шпалы покоятся на щебеночном балласте.
Монтаж контактного рельса и укладка рельсовых плетей. Монтаж контактного рельса ведут после бетонирования пути, укладки стрелочных переводов и съездов. Работу начинают с раскладки эле-
Рис. 10.4. Конструкция верхнего строения пути в зоне «Размыва» (Санкт-Петербург):
1 виброгасящий материал SEDRAPUP® USM FSGR550; 2 пленочная гидроизоляция; 3 щебень; 4 монолитный железобетон
ментов контактного рельса (сварных плетей, кронштейнов и деталей крепления, изоляторов и других деталей крепежного узла, скреплений) с путевых тележек.
Освободив концы шпал от бетона или щебня, с помощью шаблона размечают отверстия для крепления кронштейнов, представляющих собой дугообразную деталь из швеллера № 10, к верхней части которого приварена так называемая коробка. Нижний прямой участок кронштейна имеет хвостовую часть с отверстием посередине [93, рис. 14.2—14.14].
Плеть контактного рельса, уложенную между ходовыми рельсами на обрезки швеллеров и двутавров, сдвигают на ходовую часть установленных кронштейнов и с помощью специальных рельсоподъ-емников подвигают к месту крепления. Узел крепления обеспечивает надежную изоляцию контактного рельса.
Выполнив сборку крепежных узлов с установкой изолирующих прокладок, изоляторов и скоб, затягивают болты всех элементов крепежного узла. После этого стыкуют рельсовую плеть со смежной плетью или концевым отводом, устанавливают противоугоны, ослабляют ранее установленные шурупы, проверяют по строительному шаблону габаритность контактного рельса, положение его в плане и профиле, регулируют кронштейны, снова затягивают два шурупа и устанавливают третий шуруп на кронштейне.
Контактный рельс находится под высоким напряжением (825 В), поэтому для безопасности он на всем протяжении сверху и с боков закрыт полимерным защитным коробом.
Замену одиночных (монтажных) рельсов на сварные петли начинают с демонтажа одиночных рельсов, для чего снимают маятниковые штыри, демонтируют элементы скреплений стыков. Затем снимают рельсы с подкладок, очищают их от грязи и наплывов бетона.
Рельсовые плети доставляют к месту укладки на специальных тележках. Освободившиеся тележки используют для обратной вывозки рельсов. Очистив подкладки от бетона, устанавливают подрельсовые прокладки и укладывают рельсовые плети на подкладки. Перед этим выполняют промеры плети, обрезку ее концов и сверление отверстий в стыках. Завершают укладку рельсовых плетей монтажом стыков, установкой маятниковых штырей и шплинтов.
Контрольные вопросы к главе 10
1. Что включает в себя комплекс внутристанционных конструкций?
2. Какова очередность возведения внутристанционных конструкций?
3. Какие типы водоотводных зонтов применяют на станциях?
4. Какие виды работ можно выполнять с помощью манипуляторов?
5. Что включает в себя укладка ВСП в тоннелях метрополитена?
6. Как доставляются материалы и инструменты к месту укладки ВСП?
7. Как выполняется бетонирование пути в тоннелях?
8. Какова последовательность монтажа контактного рельса и укладки рельсовых плетей?
9. В чем состоят различия обычного и виброзащитного пути?
Раздел IV. СТРОИТЕЛЬСТВО МЕТРОПОЛИТЕНОВ ОТКРЫТЫМ И ПОЛУЗАКРЫТЫМ СПОСОБАМИ
Глава 11. СТРОИТЕЛЬСТВО СТАНЦИЙ МЕТРОПОЛИТЕНА ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ
ILL Сущность и условия применения открытого способа работ
Станции метрополитена мелкого заложения, как правило, сооружают открытым способом, предполагающим вскрытие земной поверхности. При наличии свободной городской территории, улиц-дублеров и возможности перекрытия транспортной магистрали, где строится станция, на длительный период, предпочтение отдают котлованному способу работ [43, гл. 7; 103, ч. 2, гл. 3; 105, гл. 21; 111, п. 16.2].
При котлованном способе работ первоочередным является вопрос, какой котлован применять: с откосами или с креплением. Предпосылками для выбора откоса являются: наличие достаточно большой свободной от застройки территории; отсутствие или незначительное количество городских подземных коммуникаций (водо- и газопроводы, электрические и телефонные линии, канализация и т.п.); инженерно-геологические и гидрогеологические условия и др.
В подавляющем большинстве случаев котлованы для станций метрополитена сооружают с вертикальными стенами, закрепленными временным ограждением, или с разгружающими откосами. Общие принципы организации и технологии строительства таких станций с применением свайно-балочного ограждения стен котлованов подробно изложены в работе [18, с. 17—43].
В тех случаях, когда невозможно открыть котлован сразу на всю ширину сооружения (условия застройки и планировки улиц, интенсивность движения наземного транспорта и пр.), применяют тран
шейный способ работ. При этом различают так называемый классический и видоизмененный траншейный способы. Сущность классического траншейного способа состоит в том, что в местах расположения стен будущего сооружения отдельными заходками разрабатывают и закрепляют траншеи шириной поверху 3,5—4,0 м, чтобы при любом виде временной крепи, включая забивку шпунта в водонасыщенных неустойчивых грунтах, ширина понизу была не менее 2 м. Глубина таких траншей обычно не превышает 15,0 м. После возведения (бетонирования) стен в траншее с поверхности земли вскрывают котлован до низа перекрытия станции и устанавливают сборные или бетонируют монолитные конструкции перекрытия, опирая их на ранее возведенные стены.
Применение для перекрытий сборных железобетонных элементов значительно сокращает сроки работ. Готовое перекрытие защищают от воды гидроизоляционным покрытием и засыпают грунтом, восстанавливая дорожную одежду. Под защитой стен и перекрытия разрабатывают ядро и производят монтаж внутренних элементов конструкций станции.
Технология земляных работ под перекрытием зависит от вида и размеров подземного сооружения. При строительстве одноярусных станций, автодорожных и пешеходных тоннелей грунт разрабатывают в один прием со стороны портальных участков при помощи малогабаритных экскаваторов, бульдозера, погрузочных машин. При строительстве многоярусных подземных сооружений, например, двухъярусных пересадочных станций, разработку грунтового ядра ведут последовательно сверху вниз, выдавая извлеченный грунт в бадьях через отверстия, оставленные в перекрытии [111, рис. 16.2]. Междуярусные перекрытия возводят после разработки грунтового ядра по схеме снизу-вверх или по мере разработки — по схеме сверху-вниз. В первом случае одновременно с разработкой грунта ведут крепление стен расстрелами или грунтовыми анкерами (как при котлованном способе). После разработки ядра снизу-вверх возводят междуярусные перекрытия, демонтируя пояса и расстрелы. Недостаток этого способа—необходимость дополнительного раскрепления траншейных стен.
Выполнение работ по схеме сверху-вниз является более прогрессивным. При этом разработку грунта между стенами ведут на вы
соту каждого яруса и сразу же возводят междуярусные перекрытия, которые одновременно выполняют также и роль распорок.
Несмотря на определенные достоинства, траншейный классический способ работ, основанный на применении деревянной крепи, весьма трудоемок. Именно поэтому в последние годы в метро-и тоннелестроении ему на смену пришел более индустриальный способ «стена в грунте».
11.2. Организационно-технологические схемы строительства станций в котлованах
Общие положения. Организация работ по сооружению станции в котловане должна предусматривать осуществление комплексного строительного потока, при котором полностью исключаются взаимные помехи отдельных технологических процессов. На участке протяженностью 104—162 м производят работы в последовательности и объемах, охватывающих весь цикл: от забивки свай до их извлечения и устройства подводящих сетей. При этом перед монтажом перекрытий выполняют все трудоемкие процессы по монтажу внутристанционных обустройств, связанные с возможностью использования кранового оборудования.
Строительный процесс начинают с подготовительных работ, включающих в себя усиление фундаментов зданий, перекладку или подвеску подземных коммуникаций и наземных транспортных линий (трамвай, троллейбус), искусственное водопонижение или замораживание неустойчивых водонасыщенных грунтов. Следом за подготовительными выполняют основные работы: разработка и крепление котлована, возведение обделки, монтаж внутренних конструкций, гидроизоляция и обратная засыпка конструкций станции, уплотнение, планировка и восстановление покрытий поверхности улиц или площадей.
Применение поточного метода строительства, основанного на равномерности и непрерывности технологического цикла, позволяет максимально использовать крановое оборудование, добиться значительной экономии металлопроката от оборота металлических элементов крепления котлована, снизить непроизводительные затраты на перевозку разрабатываемого грунта в отвал, используя его для
обратной засыпки. При этом резко сокращается потребность в автотранспорте [18; 93, гл. 35; 101, п. 4.2 и п. 5.4; 111, п. 16.2; 112, п. 1.5.2].
Обязательное условие поточной организации строительства — стабильность технологии, что требует создания ряда различных строительных потоков.
При производстве работ следует предусматривать комплексную механизацию всех технологических процессов с использованием производительных машин, механизмов и большегрузного автотранспорта. Сооружение станции должно осуществляться в необводненных или искусственно осушенных (водопонижение, водоотлив и пр.) котлованах. В особо сложных гидрогеологических условиях возможно применение специальных способов работ, связанных с химическим закреплением или искусственным замораживанием грунтов.
Основные строительно-монтажные и земляные работы, наряду с поточным способом строительства, могут вестись по параллельной или последовательной схеме. При параллельной схеме работ одновременно на различных участках котлована выполняют все технологические операции, начиная с отрывки контрольных траншей и забивки свай и кончая их извлечением. Такая технологическая последовательность работ наиболее целесообразна при разработке котлованов экскаваторами-драглайнами или грейферами с поверхности (в один ярус), т.е. когда земляные и строительно-монтажные работы могут выполняться в едином технологическом потоке без взаимных помех. При разработке котлована в два и более ярусов предпочтительнее может оказаться последовательная схема сооружения станции, предполагающая первоочередное выполнение земляных, а затем строительно-монтажных работ.
На все технологические процессы должны составляться циклограммы или графики производства работ, обеспечивающие сооружение станции с заданной скоростью, в том числе по погружению, наращиванию и добивке свай; разработке грунта и установке крепления в котловане; монтажу (или бетонированию) обделки и внутристан-ционных конструкций; устройству гидроизоляции, обратной засыпке; извлечению свай или шпунта.
Разработка грунта является ведущим технологическим процессом устройства котлована и выполняется экскаваторами с различным сменным оборудованием, бульдозерами, гидромеханизированным способом, реже — скреперами. Различные виды сменного оборудо
вания (обратная лопата, драглайн) позволяют располагать экскаватор выше уровня подошвы забоя, что важно, когда грунты сильно увлажнены [77, гл. VII; 120, гл. 4—7].
При глубине котлована до 6 м грунт разрабатывают сразу до проектной отметки, при большей глубине — поярусно. В первом случае, как правило, применяют экскаваторно-бульдозерный комплекс (рис. 11.1, а), предполагающий разработку грунта с поверх
а
Рис. 11.1. Схемы разработки грунта в котлованах:
а экскаваторно бульдозерный комплекс; б видоизмененная схема рабо ты; в работа в три стадии; г схема с расстрельной крепью; 1 временный расстрел; 2 постоянный расстрел
ности экскаватором «обратная лопата» или драглайном (поз. I) и разработку берм котлована бульдозером (поз. II). При этом глубина принимается из условия работы сваи как консольной; и 1 \тп— из условия устойчивости берм.
При наличии грунтовых вод эта схема может быть видоизменена (рис. 11.1, б): I — разработка грунта экскаватором с поверхности до водопонижения; II — то же, после водопонижения; III — разработка берм бульдозером в осушенном котловане. Таким образом, при этом способе применяют так называемую двойную перекидку грунта (бульдозером, перемещающим грунт к забою, и экскаватором), что является недостатком этой технологической схемы.
В неглубоких, но широких (более 20 м) котлованах грунт разрабатывают в три-четыре стадии (рис. 11.1, в). На первой стадии на длине заходки разрабатывают траншеи шириной 4—5 м и глубиной 3—4 м, сначала с одной, а затем с другой стороны котлована. На второй стадии тем же экскаватором разрабатывают грунт в средней части котлована, с погрузкой в автосамосвалы. На третьей стадии грунт разрабатывают бульдозером способом, аналогично описанному.
Разработку грунта в котловане и устройство деревянной затяжки между сваями выполняет бригада, как правило, состоящая из четырех звеньев. Два звена (по три человека в каждом — машинист экскаватора, его помощник и бульдозерист) разрабатывают грунт в котловане, а еще два (по шесть проходчиков разных разрядов) дорабатывают грунт вручную и устраивают деревянную затяжку. Продольные пояса и расстрелы временного крепления устанавливают сразу же после разработки грунта соответствующего горизонта. Монтажные стыки при этом сваривают. Расстояние между экскаваторами и последним расстрелом не должно превышать 6 м.
При устройстве затяжки временного крепления котлована и отсутствии грунтовых вод разработанный вручную грунт можно удалять бульдозером, при наличии грунтовых вод—экскаватором типа ЭО-2131.
Использование экскаваторно-бульдозерного комплекса для неглубоких котлованов обусловлено, в основном, невозможностью пропуска экскаватора под расстрелами. Если же такая возможность имеется, (при глубине котлованов 6—8 м), то грунт можно разраба
тывать по той же схеме (см. рис. 11.1, а\ но с применением экскаваторного комплекса: I — разработка котлована экскаватором «обратная лопата» или драглайном, движущимся поверху; II — разработка берм котлована экскаватором «прямая лопата», перемещающимся понизу, с устройством на подошве котлована временной автодороги шириной 3,5—4,0 м из железобетонных плит. В этом случае для въезда в забой в начале котлована (за его пределами) делают пологий съезд (пандус) с уклоном 0,10—0,15.
Большинство станций метрополитена сооружают в котлованах глубиной более Юме установкой двух и более ярусов расстрелов. Земляные работы в таких котлованах можно вести по последовательной или параллельной схеме.
Последовательную схему работ, как правило, практикуют при расстрельной крепи и выполняют в два этапа (рис. 11.1, г).
На первом этапе одновременно двумя экскаваторами с отставанием в 20—30 м один от другого разрабатывают верхний (I) и нижний (II) ярусы котлована. Ярус I разрабатывают экскаватором-драглайном или «обратной лопатой» сразу на всю ширину от середины котлована к бортам, а ярус II — экскаватором «прямая лопата» только среднюю часть котлована. При этом разработку грунта яруса I можно вести не только вдоль, но и поперек котлована, с перемещением экскаватора и автосамосвалов по его краю. По мере разработки грунта в котловане ведут геодезический контроль и измерения объемов земляных работ.
После завершения работы экскаваторов приступают ко второму этапу: разработке берм котлована бульдозером (поз. III), установке временных 1 и постоянных 2 расстрелов нижнего яруса на высоте около 1 м от дна котлована. Временные расстрелы в числе 4—6 шт. по мере разработки грунта бульдозером поочередно переставляют на каждую сваю. Разработанный бульдозером грунт выдают на поверхность с помощью грейфера.
При параллельной схеме все работы по вскрытию и креплению котлована выполняют одновременно, без разбивки на этапы. Такую схему можно применять при креплении стен котлована с помощью анкеров. В некоторых случаях после углубления котлована драглайном на 4—5 м и установки верхнего яруса расстрелов дальнейшую разработку грунта можно вести грейфером с перемещением
экскаватора вдоль края котлована и погрузкой грунта в автосамосвалы, располагающиеся сбоку на поверхности. Плотные грунты в этом случае разрыхляют в котловане бульдозером. Такая схема работ позволяет совместить все технологические операции по сооружению станции, т.е. одновременно на отдельных участках выполнять все работы, начиная со вскрытия контрольных траншей и кончая обратной засыпкой котлована и выдергиванием свай. Оптимальной считается производительность 300—400 м3/смену.
Независимо от принятой схемы производства земляных работ грунт в котловане следует разрабатывать с недобором в подошве. Величина недобора зависит от свойств грунта и регламентируется СНиП 3.02.01. При этом максимальные величины в основании котлована не должны превышать: при работе экскаватора «прямая лопата»—10—15 см, «обратная лопата» — 15—20 см, драглайн — 20—30 см (чем меньше емкость ковша, тем меньше величина недобора). Переборы при устройстве котлованов в нескальных грунтах, за исключением валунного и глыбового, не допускаются.
Срезку недоборов грунта, как правило, необходимо вести механизированным способом (бульдозером, экскаватором со специальными зачистными ковшами или другими планировочными машинами) с оставлением недобора до проектной отметки 5—7 см, который снимается вручную непосредственно перед укладкой основания под изоляцию.
Котлован следует разрабатывать без нарушения несущей способности грунта основания. При этом дно котлована должно быть тщательно спланировано, а грунт основания уплотнен до плотности не менее 1,6 т/м3. Разработка мерзлого грунта экскаватором без предварительного рыхления допускается при толщине мерзлого слоя до 0,25 м при емкости ковша 0,5—0,65 м3 и 0,4 м — при емкости ковша 1—1,25 м3. Если промерзание грунта в зимний период оказывается более указанных величин, необходимо выполнить работы по рыхлению, оттаиванию или предохранению грунта от промерзания.
По выровненному и уплотненному дну котлована укладывают щебеночную, гравийно-песчаную или бетонную (класса В 7,5) подготовку толщиной 15—20 см. При этом подготовка из щебня или гравия должна быть уплотнена до величины не менее 1,7 т/м3. При выполнении подготовки из бетона к месту укладки его можно подавать
автосамосвалами (при наличии съездов и отсутствии расстрельной крепи по низу котлована), кранами в емкостях с секторными затворами или по направляющим лоткам с поверхности.
Для разравнивания бетонной смеси может применяться бетоно-разравниватель на базе экскаватора ЭО-2621А, а для ее уплотнения и заглаживания — площадочные вибраторы типа ИВ-91 и виброрейки типа СО-131 и СО-132. Прочность бетона подготовки перед установкой блоков основания должна быть не ниже 2 МПа. В зимнее время бетонная подготовка должна устраиваться непосредственно за земляными работами, чтобы не допустить промерзания основания. Свежеуложенный бетон подготовки необходимо покрывать слоем утеплителя, а при температуре воздуха минус 15—20 °C рекомендуется электроподогрев.
Перед укладкой гидроизоляции подготовку покрывают выравнивающей цементно-песчаной стяжкой толщиной 3—5 см. По стяжке наклеивают или наносят гидроизоляционный слой лотка станции, выводя концы изоляции на защитную стенку высотой 1—1,2 м. Для предохранения изоляции от повреждения поверх нее также наносят цементно-песчаную стяжку толщиной 2—3 см.
Организация дальнейших работ зависит от типа станции (односводчатая или с плоским перекрытием), от конструкции обделки (монолитная или сборная), формы котлована (с откосами или вертикальными стенами) и др.
Возведение конструкций станций. При возведении конструкций станции из сборных железобетонных элементов необходимо обеспечивать требуемую точность монтажа, пространственную неизменяемость конструкций в процессе их сборки и устойчивость сооружения в целом, а также сохранность выполненной части гидроизоляции. При установке элементов конструкций следует применять инвентарные стропы, грузозахватные приспособления, кондукторы и средства подмащивания [18, ч. I, п. 3.3; 111, п. 16.3]. Лотковые и стеновые блоки конструкции следует устанавливать на защитный слой гидроизоляции с подливкой пластичного цементо-песчаного раствора для обеспечения сплошного контакта опорной поверхности блоков. С такой же подливкой устанавливают на лотковые блоки фундаментные блоки. Блоки стен и колонны фиксируют в вертикальном положении винтовыми стяжками (подкосами). Расстро-
повка стеновых блоков и колонн разрешается только после надежного их закрепления.
Укладку плит перекрытия выполняют после достижения не менее 70 % проектной прочности бетона в замоноличенных стыках лотковых и стеновых блоков, колонн и фундаментных блоков. Плиты перекрытия следует укладывать с зазором не менее 10 мм между их торцами и упорной стенкой прогона или стенового блока, а зазоры заполнять фибробетоном. Монтаж платформы станции и других внутренних конструкций, а также бетонирование монолитных участков внутренних конструкций необходимо вести одновременно с возведением ограждающих конструкций в установленной технологической последовательности.
При возведении конструкций из монолитного железобетона необходимо предусматривать комплексную механизацию производственных процессов, применение инвентарной переставной или другой многооборачиваемой опалубки, укрупненных арматурных каркасов и сеток заводского изготовления, использование товарных бетонных смесей, приготовленных на автоматизированных бетоносмесительных установках, бетононасосов или бетоноукладчиков. Порядок и сроки проведения мероприятий по уходу за бетоном, контроль за их выполнением, последовательность и сроки распалубки конструкций следует выполнять согласно ППР.
Правильность установки опалубки стен, колонн и перекрытий и соблюдение строительного подъема проверяют инструментально через каждые 5 м по пикетажу или на каждой постановке передвижной опалубки. Правильность установки и надежность крепления кружал и опалубки должны контролировать маркшейдер и начальник строительного участка с записью в общем журнале работ.
Подвижность бетонной смеси, измеряемая у места укладки по величине осадки стандартного конуса, должна быть: для неармирован-ных или слабо армированных частей конструкций — 4—8 см; то же умеренно армированных (от 0,5 до 2 %) — 8—12 см; то же сильно армированных — 12—14 см. Проверку подвижности бетонной смеси необходимо производить в местах ее приготовления и укладки не реже двух раз в смену.
Высота свободного сбрасывания бетонной смеси из ковша не должна превышать 2 м, а при подаче в сводовую часть конструк
ции — 1м. Бетонную смесь с большей высоты необходимо спускать по наклонным желобам или вертикальному хоботу.
Бетонную смесь следует укладывать горизонтальными слоями одинаковой толщины, с последовательным направлением укладки в одну сторону во всех слоях. При этом наибольшая толщина укладываемого слоя при использовании ручных глубинных вибраторов не должна превышать 1,25 длины рабочей части вибратора. Продолжительность вибрирования должна обеспечивать достаточное уплотнение бетонной смеси, основными признаками чего являются: прекращение оседания смеси, появление цементного молока на ее поверхности и прекращение выделения пузырьков воздуха. Высота участков стен, бетонируемых без перерыва, не должна превышать 3 м. По достижении этой высоты необходимо для осадки бетонной смеси устраивать перерывы продолжительностью не менее 40 мин и не более 2 ч.
Бетонную смесь в сводовую часть конструкции укладывают симметрично от пят к замку. Плоскости рабочих швов, ограничивающих полости бетонирования, должны быть перпендикулярны к поверхности свода. Рабочие швы устраивают установкой сеток. В начальный период твердения бетон следует предохранять от ударов, сотрясений и других механических повреждений, поддерживать температурно-влажностный режим (ТВР), обеспечивать нарастание прочности бетона и осуществлять при необходимости тепловую обработку уложенного бетона.
Для обеспечения ТВР бетон предохраняют от воздействия ветра, прямых солнечных лучей, увлажняют его поверхность (в период твердения она должна быть все время влажной). Поверхности бетона, не предназначенные в дальнейшем для монолитной связи с бетоном или раствором, вместо укрытия и поливки целесообразно покрывать пленкообразующими составами или защитными пленками. В зимнее время при понижении температуры воздуха ниже расчетной выдерживаемый бетон следует дополнительно утеплять или применять обогрев до приобретения бетоном прочности, по достижении которой может быть допущено замораживание. Искусственный обогрев монолитных бетонных и железобетонных конструкций выполняют согласно СНиП 3.02.01. Движение людей по забетонированным конструкциям, а также установка на них опалубки до
пускается после достижения бетоном прочности не менее 0,15 МПа. Процесс выполнения бетонных и железобетонных работ необходимо отражать в журнале согласно [92, прил. 7.2.Б].
Особенности зимнего бетонирования тоннельных конструкций. Выполнение работ по бетонированию тоннельных конструкций в зимний период имеет дополнительные трудности, связанные с обеспечением твердения бетона при отрицательных температурах. Кроме того, возникает проблема повышения морозостойкости бетонов, в значительной степени определяющей долговечность сооружений. В настоящее время созданы комплексные многокомпонентные добавки, не только обеспечивающие твердение бетона при отрицательных температурах, но и повышающие его морозостойкость и водонепроницаемость. Первым составляющим этих добавок является противоморозный компонент, в качестве которого используют вещества, водные растворы которых имеют эвтектику ниже 0 °C. В связи с тем, что подземные сооружения метрополитена устраивают преимущественно из железобетона, в качестве таких веществ выбраны нитрат натрия (NaNO2) и поташ (К2СО3), которые не только понижают температуру замерзания жидкой фазы в бетоне, но и являются также ингибиторами коррозии арматуры.
Другим компонентом добавок являются вещества, повышающие удельный объем условно замкнутых пор (Пуп) в общем объеме пор бетона, т.е. тех, которые являются «резервными», потому что способность бетона противостоять разрушению при многократном замораживании и оттаивании в водонасыщенном состоянии обусловлена наличием именно этих «резервных» пор, не заполненных жидкостью.
В процессе замораживания бетона в эти поры растущими кристаллами льда отжимается часть еще не замерзшей воды. При этом бетон не разрушается до тех пор, пока все его «резервные» поры не будут заполнены жидкостью. Следовательно, чем больший удельный объем занимают условно замкнутые поры, тем выше морозостойкость бетона. Это можно описать выражением
Кмрз = пуп/По, (11.1)
где По удельный объем открытых пор в бетоне.
Повышение морозостойкости бетона может быть осуществлено за счет перевода части открытых пор в условно замкнутые введени
ем в бетонную смесь воздухововлекающих добавок: молотых отходов ячеистых бетонов (МЯБ) и цементного камня (МЦК) в сочетании со шлифовальной пылью (Шп), каучуков и смол, жидкого стекла (Жст), пластификаторов С-89, С-3, ПАЩ-1 и др.
Установлено, что сроки схватывания цементов с комплексными добавками находятся в пределах, установленных ГОСТом, а сроки загустевания бетонных смесей являются технологичными и составляют 1—4 ч. Бетоны с комплексными противоморозными добавками активно твердеют и набирают прочность при отрицательной температуре без обогрева, обеспечивая через 28 сут нормативную прочность. Наибольшее влияние добавки оказывают на морозостойкость бетонов, увеличивая ее в 3—4 раза. При этом наилучшие результаты как по прочности, так и по морозостойкости имеют бетоны с комплексными добавками (К2СО3 + Жст + С-89), (Шп + + NaNO2 + С-3), (Шп+ С-3) и (NaNO2 + Шп). Испытания контрольных образцов бетона показали, что его прочность с комплексными добавками превышает нормативную, а морозостойкость соответствует маркам F 400 — F 500.
Использование комплексных добавок позволяет отказаться от дорогостоящих сложных и трудоемких обогревных способов зимнего бетонирования, получить бетонные смеси требуемой удобоукла-дываемости, а бетоны — высокой прочности и долговечности. При этом экономятся трудовые и энергетические ресурсы, снижается расход цемента на 1 м3 бетона. Комплексные добавки рекомендованы Корпорацией «Трансстрой» для использования в практике строительства подземных сооружений при зимнем бетонировании.
Обратная засыпка котлованов. Обратную засыпку котлованов грунтом выполняют с двух сторон конструкции равномерно, горизонтальными слоями, с послойным уплотнением грунта до проектной плотности. Засыпку следует устраивать грунтами, получаемыми при разработке котлованов. Использование привозных грунтов допускается при непригодности местных грунтов. Используемые для засыпки котлованов грунты должны быть экологически чистыми, не содержать почвенный слой, древесину и другие органические включения, легко сжигаемый мусор, водорастворимые соли. Размеры твердых включений не должны превышать 15 см. Не допускается использование для засыпки глинистых грунтов текучей и теку
чепластичной консистенции [18, п. 3.3.3; 53, гл. 13; 109]. Для засыпки могут использоваться также отходы различных производств, если они соответствуют предъявляемым требованиям.
Проектную плотность грунта засыпок определяют по формуле
^ск Нр— S Умах, (11.2)
где Ку коэффициент уплотнения по проектным данным; умах максимальная плотность скелета грунта, полученная в приборе стандартного уплотнения по ГОСТ 22733.
При отсутствии указаний Ку следует принимать: на территориях, не застраиваемых, не используемых для устройства дорожных покрытий вне зон подземных коммуникаций — от 0,90 до 0,92; на улицах со вскрытием дорожного покрытия и в местах пересечений дорог с усовершенствованным покрытием — от 0,95 до 0,98; в местах пересечения подземных коммуникаций — 0,98.
К засыпке конструкций с обделками из железобетона разрешается приступать по достижении бетоном 70 % проектной прочности. Перед засыпкой все связи между свайным креплением котлована и защитным покрытием гидроизоляции должны быть сняты. Расстрелы или съемные части анкеров и продольные пояса следует снимать в процессе засыпки. Засыпка пазух при наличии в них воды, льда, снега, строительного мусора и посторонних предметов не допускается. Разрешение на засыпку котлована оформляют актом.
Пазухи между креплением котлована с вертикальными стенами и конструкцией сооружения следует заполнять крупными и средней крупности песками или другими малосжимаемыми грунтами. В остальной части засыпку производят обычным способом. Песчаные грунты допускается уплотнять поливкой водой.
Конструкции выше перекрытия необходимо засыпать после приемки работ по засыпке и уплотнению грунта в пазухах котлована. При этом толщина слоя грунта над перекрытием конструкции для прохода по нему грунтоуплотняющих машин должна быть не менее 0,5 м. При производстве работ в зимнее время особое внимание следует уделять сохранению талого состояния грунта. Работы ведут с интенсивностью, обеспечивающей уплотнение укладываемого грунта до его замерзания. При отсутствии специальных указаний допускается использование грунтов с содержанием до 20 % комьев
мерзлого грунта размером не более 15 см. В процессе обратной засыпки следует систематически контролировать соблюдение качества и принятой технологической схемы производства работ.
11.3. Новые технологии возведения перекрытий станций
На линиях мелкого заложения метрополитенов России в течение длительного периода строились, в основном, станции колонного типа из сборных железобетонных элементов. Темпы возведения станций во многом определялись производственными возможностями заводов, поставляющих сборные элементы, и наличием транспортных и погрузочных средств. Между тем в последние годы развитие этой базы на метростроях России отставало от потребностей строительства, а работа архитекторов затруднялась из-за большого количества станций, возводимых одновременно из однотипных сборных элементов, ограничивая возможности архитектурных решений.
Указанные обстоятельства привели к тому, что на Мосметрострое в 1970 г. была запроектирована и в 1975 г. построена односводчатая станция «Сходненская» из монолитного железобетона, сооружение которой было впервые осуществлено с помощью передвижной металлической опалубки. Станция понравилась пассажирам, надежды проектировщиков и строителей оправдались, и в дальнейшем ее схема получила широкое распространение на новых линиях метрополитена как в Москве, так и в других городах. Сейчас только в Москве построено, возводится и проектируется в общей сложности около двух десятков таких станций. Несмотря на то, что их конструктивные, архитектурные и технологические возможности не исчерпаны, проектировщики и строители обратились к созданию колонных станций с монолитным железобетонным перекрытием, также сооружаемым с помощью передвижной металлической опалубки. В конструкции такой станции удачно сочетаются преимущество расчетной схемы и широкие возможности архитектурного выражения.
Это подтвердилось на сооруженной в 1980 г. ст. «Чертановская», где сборные элементы стен, колонн и капителей сочетаются с перекрытием из монолитного железобетона. Для перемещения опалубки вдоль станции ее разместили на трех не связанных между собой
тележках, каждая из которых располагалась между колоннами в своем ряду [18, рис. 3.5].
Для перехода тележек в створе колонн опалубочные щиты оснащали подъемными механизмами и поворотными элементами. После передвижения тележек на величину заходки (равную шагу колонн) опалубочные щиты поднимали до проектного положения, а поворотные элементы устанавливали в горизонтальное положение. В результате на стыках между подвижными элементами опалубки, как правило, образовывались швы, которые при подготовке потолка к окраске приходилось зачищать, заделывать, штукатурить и шпаклевать. Кроме того, изготовление и обслуживание трех опалубок увеличивало стоимость строительства и трудозатраты. Для устранения этих недостатков Метрогипротранс разработал технологию возведения станции колонного типа с перекрытием из монолитного железобетона, с использованием одной передвижной опалубки для ее сечения (рис. 11.2).
Основная идея этой разработки в том, что колонны подводят под забетонированное перекрытие после опускания и выкатывания из-под него опалубки. Во время ее передвижки части перекрытия, не опирающиеся на колонны, предварительно подвешивают к балке, находящейся на участке перекрытия, опертого на стены. Подвеску осуществляют с помощью анкерных тяг, заделываемых в конструкцию перекрытия в местах установки колонн. Через 48 ч после окончания бетонирования над анкерными тягами устанавливают балку, а тяги с помощью траверс и гаек закрепляют на верхнем поясе балки и осуществляют натяжение анкеров, причем суммарная его величина равна массе удерживаемой части перекрытия, чем исключается прогиб балки при снятии опалубки. Одновременно на нее передается нагрузка от перекрытия, и, соответственно, исключается его прогиб.
После подвески перекрытия на балке опалубку опускают и выкатывают из-под него. В образовавшийся зазор устанавливают колонну. Заполняя монтажный зазор между перекрытием и верхом колонны фибробетоном, всю конструкцию включают в работу. Далее устанавливают опалубку в рабочее положение и бетонируют следующую заходку.
Описанная технология впервые применена в Москве при возведении ст. «Ясенево». Перекрытие сооружалось со скоростью 42—48 м
I
ГА
kA
A-A
Рис. 11.2. Передвижная опалубка для бетонирования плоского перекрытия из монолитного железобетона
а ст. «Ясенево», б ст. «Чертановская»
в месяц. Качество его лицевой поверхности после завершения бетонирования было значительно лучше, чем на ст. «Чертановская». Сократились затраты за счет уменьшения расходов на изготовление опалубки и трудозатрат в процессе ее эксплуатации. Позднее по этой же технологии возвели перекрытие ст. «Бибирево». Строительство обеих станций подтвердило техническую целесообразность и экономическую эффективность технологии.
Новая технология возведения перекрытия станции колонного типа из монолитного железобетона открыла дополнительные возможности для проектировщиков при разработке новых конструктивных решений, которые нашли воплощение в последующих проектных разработках Метрогипротранса (рис. 11.3).
В частности, перекрытие платформенного участка будущей ст. «Краснодонская» в столице (рис. 11.3, а) представляет собой два свода, края которых опираются по оси на ряд колонн, а по бокам на стены. В центре предусмотрен однопролетный участок перекрытия для последующего устройства в этом месте пересадки. Перекрытие обоих участков из монолитного железобетона, его предполагается выполнить с помощью опалубки, документация на которую также разработана в институте. Конструкция предусматривает возможность замены ее элементов на опорной тележке в зависимости от формы перекрытия. Бетонирование его будет производиться по описанной технологии.
Для возведения перекрытия московской ст. «Марьино» разработана конструкторская документация на опалубку (рис. 11.3, б), отличительной особенностью которой является связь опалубочной секции с опорной тележкой при помощи рычага. Один его конец шарнирно закреплен на опорной тележке, а другой (также шарнирно) на противоположном конце нижней части опалубочной секции. Тележка снабжена механизмом для передвижения. Подъем секции в рабочее положение осуществляется при помощи гидроцилиндров, корпуса которых опираются в основание станции, а штоки шарнирно подвешены к ней.
Преимущества предлагаемой опалубки: опорная тележка постоянно находится на рельсах (уложенных на основание станции), а опалубочная секция зафиксирована на ней, тем самым обеспечивается четкая траектория ее подъема относительно оси станции, что особенно важно при бетонировании перекрытий с глубокими кессонами.
В конструкции опалубки четко разделены функции, которые несут на себе ее основные элементы. Так, опалубочная секция со все-
Рис. 11.3. Передвижные опалубки для бетонирования сводчатого перекрытия: а ст. «Краснодонская»; б ст. «Марьино»; в ст. «Красногвардейская»;
г ст. «Борисово»
ми вспомогательными элементами, торцевой опалубкой, подмостями и др. предназначена для монтажа арматурных каркасов и укладки бетона. Нагрузка от бетона и собственного веса секции через стойки передается на основание станции. Опорная тележка служит для фиксации опалубочной секции в рабочем положении в момент монтажа арматурных каркасов, укладки и выстойки бетона, а также для перемещения опалубки. При этом она не воспринимает нагрузку от бетона, и, следовательно, ее ходовую часть можно сделать более легкой.
Для увеличения скорости возведения перекрытия однопролетной станции на время выстойки бетона до набора им требуемой прочности предполагается использовать поддерживающие балки.
По мере накопления опыта возведения станций из монолитного железобетона с помощью передвижных опалубок ведется работа по их совершенствованию. Современные опалубки, как правило, представляют собой унифицированную опорную портальную раму, оснащенную ходовыми колесами, домкратами, механизмами передвижения и подъема, гидрооборудованием, электрооборудованием и т.д. На раме шарнирами закреплены верхние и боковые опалубочные элементы, которые можно легко заменять в соответствии с формой поперечного сечения станции, как это запроектировано на ст. «Краснодонская» будущей Люблинско-Дмитровской линии. Возможно также повторное использование опорной портальной рамы, оснащенной всеми необходимыми механизмами, после установки на ней новых опалубочных элементов для строительства станции (рис. 11.3, в — «Красногвардейская», 11.3, г — «Борисово»). Опалубки оснащены шагающим механизмом передвижения, при этом рельсовый путь является их составной частью. Рельсы продвигают вперед или назад при помощи специального захвата (его конструкция защищена авторским свидетельством) в то время, когда опалубка опирается домкратами в основание станции.
Конструкция основных элементов опалубки — ходовых колес, опорных винтовых домкратов, узлов механизмов передвижения и подъема, гидрооборудования и электрооборудования — унифицирована. При рациональной эксплуатации они могут быть многократно использованы для изготовления других опалубок, что в значительной степени позволит снизить затраты.
11.4. Строительство станций в котлованах с применением способа «стена в грунте»
Сущность способа и условия применения. В последние годы все более широкое распространение в практике отечественного и мирового метро- и тоннелестроения находит способ «стена в грунте» (СГ), являющийся видоизмененным траншейным способом работ [19; 26; 33; 53, гл. 16; 61; 69; 74; 93, п. 35.5; 96; 101, п. 4.3; 102; 103, ч. 3, п. 1.3; 107, гл. 7; 115, гл. И].
Отказ от «берлинского» способа работ, предполагающего крепление стен котлована металлическими двутавровыми сваями с деревянной затяжкой и расстрелами, вызван прежде всего недостаточной жесткостью конструкций крепи распорного типа, большим расходом металла и повышением требований к охране окружающей среды.
Ограждение котлованов, сооружаемое методом СГ, в зависимости от назначения стен может выполняться из монолитного бетона (железобетона), сборных железобетонных конструкций или противофильтрационных материалов. Сущность способа заключается в возведении несущих стен подземных сооружений или противофильтрационных завес путем отрывки глубоких (до 100 м и более) и узких (от 0,6 до 1,2 м) траншей под защитой глинистого раствора, с последующей укладкой в траншею бетона или другого заполнителя.
При глубине менее 5 м способ экономически нецелесообразен и в практике строительства не встречается. Особенно эффективен этот способ при заглублении сооружений в водоупорные грунты, что дает возможность полностью отказаться от специальных мер осушения. Заглубление в водоупор следует принимать не менее 0,5—1,0 м — в прочной скале; 0,75—1,5 м — в мергеле и плотной глине; 1,5—2,0 м — в пластичных суглинках и глинах.
«Стена в грунте» из монолитного железобетона. При возведении СГ из монолитного железобетона технология строительных работ включает в себя следующие этапы: подготовительные работы, разработка траншей на длину захватки, монтаж ограничителей, очистка дна траншеи от осадка грязевым насосом или эрлифтом, монтаж арматурного каркаса, монтаж бетоноукладочных механизмов и ук
ладка бетонной смеси способом вертикально перемещающейся трубы (ВПТ). В состав работ подготовительного периода входят: планировка поверхности вдоль траншеи для размещения и движения оборудования; устройство временных сооружений для приготовления, транспортирования и очистки глинистого раствора, площадки для отвала извлекаемого грунта, дорог и проездов, сетей электро- и водоснабжения; устройство «пионерной» траншеи (форшахты) шириной 0,6—1,2 м и глубиной 1,2 м.
Стены «пионерной» траншеи закрепляют монолитными или сборными железобетонными плитами [53, рис. 16.12]. Плиты и блоки ограждения траншеи служат направляющими для рабочего органа землеройного агрегата, обеспечивая вертикальность и требуемое качество стен, предотвращают инфильтрацию глинистого раствора в верхние рыхлые слои грунта. Наряду с этим форшахта может служить опорой для ходовой части машины, разрабатывающей основную траншею.
Если уровень грунтовых вод стоит глубже 1,0—1,5 м от поверхности грунта, форшахту устраивают в котловане (рис. 11.4, а), отрытом по оси сооружения на глубину 0,6—0,8 м. Основание котлована выравнивают и уплотняют, после чего устанавливают щиты опалубки, укладывают арматуру и бетонируют форшахту. При высоком уровне грунтовых вод (менее 1,0 м от поверхности земли), когда возникает необходимость в подсыпке песчаным грунтом, опалубку форшахты следует устанавливать на естественный грунт или на предварительно уплотненный, насыпной (рис. 11.4, б).
Рис. 11.4. Схемы конструкций облицовки устья траншеи:
1 траншея; 2 глинистый раствор; 3 деревянный настил; а УГВ >1,0 1,5 м; б опирание на грунт
Верх опалубки форшахты должен быть горизонтальным и иметь отметку на 10—20 см выше уровня площадки. По обе стороны форшахты подсыпают песчаный грунт, на который укладывают настил. Разбивку траншеи на захватки осуществляют по верху форшахты.
Разработка траншей. Она может вестись одновременно на нескольких участках, размеры и расположение которых определяются, главным образом, характером застройки, свойствами грунтов, расположением грунтовых вод и наличием применяемого оборудования. Механизмы для разработки траншей выбирают с учетом характеристик грунтов, степени стесненности участка работ, размеров конструкции возводимой стены. Определяющим фактором при этом служит опасность обрушения стен траншеи.
В зависимости от принятого землеройного оборудования принимают соответствующую технологическую схему производства работ и подбирают оборудование для приготовления и очистки глинистого раствора. В густозаселенных городских районах, как правило, применяют грейферы, так как при таком виде оборудования строительная площадка занимает минимальную площадь. Наряду с этим при работе грейферов снижается расход глинистого раствора и выпадение осадка на дно траншеи по сравнению с разработкой бурофрезерными установками, повышается мобильность работы в стесненных условиях [43, гл. VII].
Для проходки траншей в грунтах I—IV групп при устройстве несущих стен шириной 0,6—0,8 м и глубиной до 20 м и наличии свободной территории на стройплощадке в целях размещения необходимого для работы оборудования могут применяться гидромеханизированные траншеекопатели (ГТ), например, ГТ ВНИИГСа (рис. 11.5).
Наличие шагающих опор позволяет рыть траншеи практически любого очертания. После пробуривания «пионерной» скважины и разработки траншеи на длину около 2 м траншею до верха форшахты заполняют глинистым раствором. Ввиду того, что в процессе разработки траншеи часть раствора выносится и вычерпывается вместе с грунтом, подают его непрерывно, что позволяет поддерживать необходимый уровень раствора от верха обделки устья, принимаемого равным около 0,2 м.
Для отделения частиц разрабатываемого грунта от глинистого раствора загрязненный раствор (пульпу) из траншеи откачивают эрлифтом. Грубая очистка осуществляется виброситом, удаляющим
Рис. 11.5. Технологическая схема расположения оборудования при рытье траншеи:
1 траншеекопатель; 2 рабочий орган; 3 эрлифт; 4 емкость промежу точная; 5 шламосборник; 6 насос; 7 гидроциклон; 8 емкости; 9 глиномешалка; 10 грязевой насос; 11 шламовый насос; 12 вибросито;
13 труба лоток
фракции крупнее 4 мм. Очищенный на вибросите раствор подается для тонкой очистки в гидроциклон, из которого перекачивается в емкость, а затем в траншею.
Монтаж арматурных каркасов и бетонирование стены. После проходки траншеи на длину захватки ее подготавливают для бетонирования. Глинистый раствор не ухудшает сцепление арматуры с бетоном и не смешивается с бетонной смесью, если не осаждается на арматурном каркасе при технологических перерывах. Перед установкой арматурного каркаса проверяют глубину и ширину траншеи, чистоту дна и характеристики глинистого раствора. Отрытая на длину захватки траншея должна быть принята по акту.
Для изготовления каркасов на стройплощадке используют специальные кондукторы, обеспечивающие их проектную форму. Жест
кость каркаса и способ его строповки должны обеспечивать подъем краном без деформаций. Для обеспечения точного положения каркаса в траншее к нему с боков приваривают салазки-катки, служащие в качестве направляющих при опускании. В верхней части каркаса приваривают поперечные стержни, которыми после опускания в траншею он опирается на форшахту. Если каркас состоит по высоте из нескольких блоков (при глубине траншеи более 10 м), то вначале опускают в траншею нижний блок и подвешивают его на форшахте, затем на него устанавливают и приваривают следующий блок, срезают поперечные стержни и опускают в траншею до упора поперечных стержней верха блока с форшахтой и т.д.
Отдельные участки траншейных стен, бетонируемые в разных захватках длиной по 3—6 м, должны быть сопряжены между собой. Для этих целей применяют специальные разделительные элементы-ограничители, которые до бетонирования устанавливают по торцам участка траншеи с заглублением в грунт не менее 1 м. Ограничители, наряду с обеспечением совместной работы соседних участков стены, предотвращают попадание бетонной смеси из одного участка траншеи в другой и способствуют снижению водопроницаемости стыков.
Соединение двух соседних участков стены в зависимости от вида ограничителя может быть плоским или цилиндрическим. Цилиндрические стыки предпочтительнее, поскольку обеспечивают более плавное сопряжение участков. В некоторых случаях применяют комбинированное решение — плоско-цилиндрический стык.
Ограничители либо извлекают через 3—5 ч после укладки бетона, либо оставляют в конструкции. В качестве извлекаемых ограничителей используют стальные инвентарные трубы диаметром, равным ширине траншеи. К трубам приваривают уголки 70 х 70 мм таким образом, чтобы при погружении они врезались в борта траншеи на 15—30 мм, что снижает утечку бетона из захватки при бетонировании.
Иногда для устройства стыка между участками стен оставляют грунтовые целики, длины которых не превышают ширины траншеи. При последующей разработке целиков часть бетона соседних участков выбуривают и все пространство заполняют бетоном. В некоторых случаях применяют ограничители с заделанными в них
вертикальными полосами из полихлорвиниловой пленки толщиной 2—4 мм и шириной 20—25 см. Типы ограничителей и получаемых стыков приведены в [43, рис. VII.21].
Бетонная смесь класса не менее В 20 должна быть достаточно подвижной, пластичной, с осадкой конуса 16—20 см при крупности заполнителя до 50 мм. Водоцементное отношение должно быть не более 0,6, а срок схватывания — не менее 2 ч. Бетонную смесь подают в траншею через бункер по вертикальной бетонолитной трубе, опущенной между сетками каркаса. Обычно применяют цельнотянутые трубы диаметром 23—25 см с толщиной стенок 8—10 мм, состоящие из звеньев длиной 1—1,5 м. Нижний конец трубы должен быть погружен в бетонную смесь не менее чем на 1—1,5 м. Для предотвращения заклинивания бетонной смеси в трубе на бункере закрепляют площадочный вибратор. В некоторых случаях участок траншеи бетонируют несколькими трубами. По мере бетонирования бункер или ковш вместе с бетонолитной трубой постепенно поднимают, укорачивая трубу посекционно. Вытесненный бетонной смесью глинистый раствор по трубам-лоткам направляют в отстойник и после очистки подают на соседние участки траншеи. По окончании бетонирования верхний слой бетона толщиной 30—40 см, загрязненный шламом и глинистым раствором, удаляют.
Примеров применения «стена в грунте» из монолитного железобетона достаточно много, и их число постоянно возрастает.
Однако при этом технологическая последовательность траншейного способа работ остается практически неизменной и сводится к следующему (рис. 11.6): 1 — разработка траншей под глинистым раствором и бетонирование стен до уровня сопряжения с перекрытием; 2 — засыпка верхней части траншеи гравием или щебнем и удаление внешних направляющих пионерной траншеи; 3 — бурение скважин и опускание в них вертикальных элементов крепления, нижние концы которых заходят за «стену в грунте» (верхние при этом через пояса крепятся распорками или анкерами); 4 — обратная засыпка грунта на перекрытие и извлечение элементов временного крепления.
Под защитой перекрытия разрабатывают ядро и завершают строительство тоннеля в целом. Вместо балочного крепления верха траншеи можно применять нагельное крепление. Для этого сначала рас-
4 Обратная '
Ц засыпка
верхней части
7/ траншеи
Рис. 11.6. Этапы строительства заглубленных подземных сооружений траншейным способом работ с применением «стены в грунте»:
1...4 этапы
крывают и крепят нагелями котлован до уровня низа перекрытия, затем сооружают «стену в грунте». Сборная «стена в грунте», аналогичная французскому способу «Префасиф», предполагает выполнение следующих операций: устройство форшахты, разработка траншей под глинистым раствором, установка сборных элементов в траншею, омоноличивание стыков и заполнение пазух специальным раствором. Соединение панелей и заполнение полостей между ними может осуществляться разными способами: замена части тиксотропного раствора специальным цементно-глинисто-песчаным раствором (ЦГПР) плотностью 1,28—1,30 г/см3 нагнетанием ЦГПР через трубки, заложенные в панели при заводском изготовлении и в стыки между панелями — при производстве работ; ввод в тиксотропный раствор, под которым отрыта траншея, специальных добавок для его твердения.
Одна из отечественных технологий предполагает возведение «стены» из готовых железобетонных панелей при помощи гидроподмыва (рис. 11.7).
Рис. 11.7. Возведение сборной «стены в грунте» с помощью гидроподмывателя: 1 панель; 2 скос; 3 труба; 4 труба большего сечения; 5 желоб;
6 форшахта; 7 выпуклая грань; 8 вогнутая грань; 9 свая фиксатор; 10 резиновая трубка
Для прижатия устанавливаемой панели 1 к предыдущей, в нижней части последней устраивается скос 2. При этом одна из торцевых вертикальных ее граней 7 должна быть выпуклой, а другая 8 — вогнутой. В каждую панель вмонтировано по 2—3 трубы 3, по которым подают воду для подмыва грунта и 2—3 трубы 4 большего сечения для отсоса пульпы на поверхность. Концы водоподающих труб снабжены насадками с уменьшенным выходным отверстием. Чтобы снизить влияние гидроподмыва на окружающую панель грунтовую среду, нижняя скошенная грань делается вогнутой в виде желоба 5. Для фиксации вертикального положения панели устраивается бетонный «воротник» — форшахта 6 в виде двух продольных стен сечением 1 х 0,5 м, обеспечивающих вертикальность ее направления.
Процесс возведения «стены» начинается с опускания сваи-фиксатора 9 (под наблюдением маркшейдерской службы) в специально пробуренную скважину. Гидроизоляция вертикальных стыков между панелями обеспечивается с помощью резиновой полосы, прикрепленной дюбелями или наклеенной на стыковочную грань одной из
них. По мере опускания очередной панели полоса обжимается, делая стык водонепроницаемым. При другом решении гидроизоляции в вертикальную грань панели предлагается вмонтировать резиновую трубку 10, которая после опускания очередной панели заполняется (под давлением) быстротвердеющим раствором, ликвидируя остающийся между ними зазор. После раскрытия котлована стыки панелей расчеканиваются безусадочной смесью (БУС), повышая их водонепроницаемость.
Стены из сборных элементов обладают рядом преимуществ по сравнению с монолитными: высокая индустриальность, меньшая трудоемкость, возможность обеспечения необходимого качества работ. Сборные элементы имеют более гладкую поверхность и меньшую толщину, в них удобнее заранее устанавливать закладные и накладные детали. В случае применения сборных конструкций сводятся к минимуму бетонные работы на строительной площадке. Однако размеры элементов (ширина 1,0—2,0 м, длина 8—10 м) ограничиваются грузоподъемностью имеющихся механизмов. Кроме того, увеличивается количество стыков по длине сооружения. Более высокая стоимость сборного железобетона и сложность обеспечения водонепроницаемости швов являются серьезными причинами, сдерживающими широкое внедрение сборных «стен в грунте».
Комбинированная «стена в грунте». Ввиду повышенной стоимости панелей и невозможности их индустриального изготовления в случае больших размеров в зарубежной практике применяют смешанные конструкции. В них только часть стен, входящих в подвальное помещение, выполняют из сборных конструкций небольшой высоты (до 10 м), а остальную часть — из монолитного, так называемого пластичного бетона.
Рассматриваемый способ основан на использовании направляющих железобетонных свай заводского изготовления, устраиваемых в буровых лидерных скважинах заданного шага и диаметра под защитой глинистого раствора. Способ отличается высокой точностью разработки траншей с помощью грейферного оборудования на жесткой штанге. Строгая вертикальность двояковогнутых свай обеспечивается силой их тяжести при закреплении в скважинах. Технология включает в себя разработку траншей между скважинами: бетонирование участков стен от низа лотка до проектного уровня над
перекрытием; монтаж сборных железобетонных пустотелых панелей от уровня последнего до уровня форшахты.
Снижение материалоемкости достигается за счет минимального сечения и необходимой длины сваи, обеспечивающих защемление «стены в грунте»; использования сваи в качестве направляющего и разделительного элемента при монтаже арматурных каркасов и бетонировании захваток, а также за счет применения пустотелых извлекаемых железобетонных панелей для повторного их употребления, исключающих трудоемкое стальное свайное крепление с ручной деревянной затяжкой. Выполнение в сборных железобетонных сваях отверстий и устройство закладных деталей для устройства анкерной крепи способствует дополнительному уменьшению трудоемкости при возведении подземных сооружений.
Способ обеспечивает безопасность строительства и сохранность прилегающих зданий при извлечении панелей стен после обратной засыпки подземного сооружения, поскольку пустоты панелей заполняются глинистым раствором и цементно-песчаной смесью. Таким образом предотвращаются обрушение стенок траншеи и оседание земной поверхности.
Основные стадии возведения комбинированных «стен в грунте» показаны на рис. 11.8. Для наглядности принято грейферное оборудование с жесткой штангой на базе серийного экскаватора ЭО-5122 с длиной захвата ковша 2500 мм и шириной 600 мм.
Стадия «А». Вдоль оси стены устраивается форшахта и под защитой глинистого раствора бурятся лидерные скважины диаметром D\> D2 + 2А, где D2 — диаметр описанной вокруг направляющей сваи окружности; А — предельное отклонение оси скважины от вертикали. При D2 = 780 мм диаметр лидерных скважин D1 достаточно принять 1000 мм. Интервал между осями свай 2800 мм рассчитывается как сумма длины захвата грейфера (2500 мм), технологического зазора (50 мм) и толщины сваи между рабочими поверхностями (250 мм), очертания которых повторяют кривизну поверхности раскрытого грейфера.
Стадия «В». Рабочие вогнутые поверхности сваи ориентируют по направлению будущей траншеи. Ширина обеих принята равной 600 мм без учета перебора грунта. Свая имеет шарнирную подвеску и под действием силы тяжести опускается строго вертикально, вы-
Рис. 11.8. Стадии возведения комбинированных «стен в грунте»:
а, б продольный разрез и план; 1 форшахта; 2 буровая лидерная сква жина под глинистым раствором; 3 бетон «корня» сваи; 4 инвентарный кондуктор; 5 направляющая железобетонная свая; 6 ее рабочая поверх ность; 7 шарнирное устройство; 8 тампонажный материал; 9 разраба тываемая траншея; 10 арматурный каркас; 11 бетон захватки стен; 12
пустотелая панель; 13 отверстие для пропуска анкера; 14 грейфер
тесняя глинистый раствор и бетон и образуя «корень» расчетной величины. Диаметр скважины рассчитан так, чтобы свая, вывешенная на форшахте и закрепленная шарнирным устройством, не касалась ее стенок.
Стадия «С». После схватывания бетона «корня» сваи глинистый раствор замешивают самотвердеющей суспензией малой прочности, либо скважину тампонируют гравием с проливкой бентонитоцементного раствора.
Стадия «D». Применяя закрепленные на форшахте и в «корне» направляющие сваи, разрабатывают траншею под защитой глинистого раствора. Заданный интервал и характер вогнутых поверхностей свай предотвращают смещение грейфера от вертикали и в плане.
Стадия «Е1». Используя рабочие поверхности свай, в траншею опускают арматурный каркас с выверкой его положения по высоте и закреплением подвеской на форшахте.
Стадия «Е2». Методом ВПТ бетонируют участок-захватку стены до уровня выше верха перекрытия подземного сооружения на 0,5 м. При этом направляющие сваи служат на данной стадии ограничителями, образуя шарнирный стык.
Стадия «ЕЗ». После схватывания бетона опускают с помощью направляющих свай сборные железобетонные пустотелые панели, соединяя их между собой фланцевыми болтами и перекрепляя на форшахте посредством монтажно-демонтажных отверстий. Затем из полостей панелей откачивают глинистый раствор для регенерации.
По мере разработки котлована в отверстия направляющих свай устанавливают буроинъекционные анкеры. Общий вид закрепленной комбинированной «стены в грунте» и соединение панелей изображены на рис. 11.9.
Порядок демонтажа пустотелых панелей следующий: вырубка верхнего слоя низкокачественного бетона (0,5 м), устройство гидроизоляции и ее защита; обратная засыпка подземного сооружения; заполнение пустот панелей глинистым раствором.
Сборно-монолитная «стена в грунте» с листовой арматурой. Одной из разновидностей комбинированных «стен в грунте» является сборно-монолитная «стена в грунте» с листовым армированием (СМОГЛА), которая впервые была внедрена в практику метростроения в 1993 г. в Москве [69].
Опыт внедрения новой технологии показал, что СМОГЛА имеет существенные преимущества перед традиционными монолитными конструкциями, включая высокую конструктивную надежность, позволяющую использовать их как несущие конструкции тяжело нагруженных сооружений; простоту крепления «стены в грунте» и соединения ее с другими конструктивными элементами подземного сооружения; полную водонепроницаемость даже в очень неблагоприятных грунтовых условиях; увеличенную (на 15—25 %)
Рис. 11.9. Комбинированная «стена в грунте»:
а общий вид; б соединение панелей;
1 форшахта; 2 направляющая железо
бетонная свая; 3 бетон «корня» сваи; 4 бетон захватки стен; 5 пустотелая панель;
6 буроинъекционный анкер; 7 фланце вое болтовое соединение панелей; 8
монтажно демонтажное отверстие
скорость возведения конструкции; возможность передачи на стену нагрузки сразу после возведения; уменьшение расхода бетона в неблагоприятных грунтовых условиях и др. Применение в сложных грунтовых условиях Моск-
вы несущей СМСГЛА позволяет в сравнении с монолитной «стеной в грунте» обеспечить снижение стоимости конструкции и срока ее возведения — на 20—30 %.
Конструкции СМСГЛА толщиной 600 мм могут быть использованы при глубине «стены в грунте» от 6 м до 30 м (на практике освоено строительство от 6 до 22 м) в различных грунтовых условиях, изгибающих моментах в конструкции до 750 кНм и вертикальных
нагрузках от наземных зданий до 2500 кН. Такие сборно-монолитные стены в грунте можно устраивать с непрерывным двусторонним поперечным армированием, что позволяет значительно увеличить надежность СГ в условиях сложной гидрогеологической обстановки, воздействия на СГ локальных, в том числе подвижных нагрузок, а также снизить затраты металла на распределяющие конструкции под анкера и распорки.
СМСГЛА состоит из железобетонных стеновых блоков и моно
литных участков между ними.
Стеновые блоки устанавливают с заданным шагом в заполненную глинистым раствором траншею и объединяют между собой бетонной смесью или цемент-
Рис. 11.10. Принципиальная схема СМСГЛА:
7 стеновой блок; 2 листовая арма тура; 3 бетонное заполнение; 4 от метка верха стены; 5 отметка дна кот лована; 6 отметка низа стены; 7
контур траншеи
7
но-песчаным раствором, стыковой листовой, а в ряде случаев стержневой арматурой (рис. 11.10).
Стеновые блоки являются несущими элементами, воспринимая все действующие на СМСГЛА эксплуатационные нагрузки, а монолитное заполнение выполняет функции шпоночного соединения и передает на стеновые блоки горизонтальное давление грунта и воды. Стеновой блок представляет собой элемент условно двутаврового поперечного сечения с полу-цилиндрическими пазами по боковым граням, смещенным к одной из лицевых граней блока с образованием выступов большей и меньшей толщины. Со стороны подземного сооружения блок снабжен листовой ар
матурой, которая одновременно служит гидроизоляцией. Разме
ры поперечного сечения типовых блоков 600 х 600 мм, длина —
6—20 м и более, в зависимости от глубины заложения «стен в грунте», масса — до 15 т (0,66 т/м).
При использовании СМСГЛА в качестве временного ограждения
стен котлованов в грунтах естественной влажности стеновые блоки
устраивают без выпусков стержневой арматуры (рис. 11.11, а).
Объединение выпусков стержневой и листовой арматуры позволяет обеспечить непрерывное двустороннее армирование «стены в грунте» в поперечном направлении и повысить ее поперечную жесткость.
При устройстве СМСГЛА с непрерывным армированием, кроме основных стеновых блоков с выпусками арматуры, используют временные инвентарные разделительные блоки, которые устанавливают в конце каждой заходки, при необходимости заменяя их основными блоками с выпусками арматуры.
Стеновые блоки для СМСГЛА, расположенные в водоносных грунтах и служащие в качестве постоянной конструкции подземного сооружения, изготавливают с выпусками листовой, а при необходимости — поперечной стержневой арматуры относительно контуров блока для соединения с вы
Рис. 11.11 . Конструкция стенового блока:
а без выпусков стержневой арматуры; б с выпусками арматуры; I блок;
2 листовая арматура; 3 отверстия для грунтовых вод; 4 выпуски стержневой арматуры
пусками аналогичной стержневой арматуры смежных стеновых блоков (рис. 11.11, 6).
По концам каждой заходки во избежание смещения крайних стеновых блоков давлением укладываемого в зазоры бетона или цементного раствора устанавливают ограничители в виде стальных труб диаметром 400—600 мм, которые извлекают по мере омоно-личивания зазоров между блоками.
С этой же целью после установки стеновых блоков в нижнюю часть траншеи в пределах заходки укладывают бетонную смесь, подавая ее одновременно во все зазоры между блоками. Через 2—3 ч начинают омоноличивание зазоров на всю высоту стен.
При возведении СМСГЛА с дискретным армированием вдоль стены, когда стеновые блоки не имеют поперечных выпусков арматуры, выпуски устанавливают в каждой заходке траншеи в количестве от 2 до 5 (в зависимости от длины заходки), а затем зазоры между блоками заполняют бетонной смесью или цементно-песчаным раствором. Последний зазор в каждой заходке засыпают песком или щебнем.
При возведении СМСГЛА с непрерывным поперечным армированием в состав конструкции наряду со стеновыми блоками, имеющими поперечные выпуски арматуры, вводят инвентарные разделительные блоки без выпусков арматуры.
В этом случае принимается следующая схема возведения «стены в грунте» (рис. 11.12): в очередную заходку траншеи устанавливают 2—4 стеновых блока с выпусками арматуры и один инвентарный разделительный блок без выпусков арматуры; в зазоры между стеновыми блоками с выпусками арматуры укладывают бетонную смесь или цементно-песчаный раствор, а зазор между последним стеновым блоком с выпусками арматуры и разделительным блоком не бетонируют; разрабатывают соседнюю заходку траншеи и устанавливают в нее стеновые блоки, после чего разделительный блок предыдущей заходки извлекают и на его место устанавливают блок с выпусками арматуры; омоноличивают зазоры, примыкающие к разделительному блоку, и зазоры между стеновыми блоками с выпусками арматуры, а инвентарные разделительные блоки используют в последующих заходках.
1 -й этап
2-й этап
3-й этап
Рис. 11.12. Последовательность возведения СМСГЛА с непрерывным поперечным армированием:
1 стеновой блок с выпусками стержневой арматуры; 2 выпуски стержневой арматуры; 3 инвентарный разделительный блок; 4 первая заходка тран шеи; 5 бетонное заполнение; 6 вторая заходка траншеи
После извлечения из траншеи инвентарных разделительных блоков или труб-ограничителей их поверхность следует промыть водой из шланга и покрыть консистентной смазкой.
Если стеновые блоки снабжены листовой арматурой без выпусков за контуры блока, то после возведения СМСГЛА по мере разработки грунта со стороны подземного сооружения к листовой арматуре соседних блоков приваривают накладки, перекрывающие монолитные участки стены полностью или дискретно. Если листовая арматура стеновых блоков имеет выпуски, перекрывающие монолитные участки стены, то после разработки грунта со стороны подземного сооружения эти выпуски соединяют между собой на сварке.
Для заполнения зазоров между установленными в траншею стеновыми блоками используют бетонную смесь или цементно-песчаный раствор.
С целью повышения качества бетона, укладываемого в траншею между стеновыми блоками, целесообразно применение метода напор
ного бетонирования с использованием бетононасосов, что позволяет избежать недостатков, присущих способу ВПТ (цикличность бетонирования, трудоемкость монтажа и демонтаж бетонолитных труб, необходимость использования только литых бетонных смесей с повышенным расходом цемента). При использовании метода напорного бетонирования бетонную смесь укладывают снизу вверх под давлением, что дает возможность получать бетон повышенной плотности, прочности и водонепроницаемости. Непрерывная подача бетонной смеси уменьшает вероятность закупорки труб и позволяет применять метод напорного бетонирования в зимний период.
При укладке бетонной смеси методом напорного бетонирования используют специализированные бетононасосы и бетоноукладчики непрерывного действия, снабженные телескопической стрелой, которая может подавать гибкий бетоновод в любую точку траншеи. Для напорного бетонирования рекомендуются: отечественный автобетоноукладчик поршневого типа БСГ1-25 производительностью до 25 м3/ч при глубине бетонирования до 20 м; бетононасос роторного действия фирмы «Вибау» (Германия) со стрелами-манипуляторами, рассчитанный на подачу бетонной смеси на 16,5—20,4 м по горизонтали и на 19,8—23,3 м по вертикали, обеспечивающий производительность от 56 до 84 м3/ч; автобетононасосы фирмы «Путцмайстер» (Германия) на двух-, трех- или четырехосном автомобильном шасси грузоподъемностью 30 т. В состав оборудования автобетононасосов фирмы «Путцмайстер» системы «Элефант» типа BF и BRF входят бетононасос, бункер и шарнирно-складывающаяся стрела с бетоно-водом. Бетонную смесь можно подавать на расстояние до 36 м по горизонтали и до 40 м по вертикали под давлением от 4,3 до 12 МПа. Производительность установки — 40—120 м3/ч. Для напорного бетонирования также рекомендуются бетононасосы фирм «Швинг» (Германия), «Вортингтон» и «Вайтмен» (США) и др.
С целью повышения плотности бетона, увеличения пластичности смеси, а также снижения расхода цемента рекомендуется применять поверхностно-активные пластифицирующие добавки. Запрещается вводить в бетонную смесь химические ускорители твердения (хлористый кальций, поваренную соль и т.п.).
При укладке методом напорного бетонирования с помощью бетононасоса бетонная смесь должна иметь осадку стандартного
корпуса 4—12 мм, максимальную крупность зерен заполнителя 30—50 мм. В качестве крупного заполнителя следует использовать гравий или гальку.
При установке временных ограждающих СМСГЛА для заполнения зазоров между установленными в траншею стеновыми блоками с бетонной смесью можно использовать цементно-песчаные растворы.
Зарубежный опыт строительства. По мнению зарубежных специалистов, открытый способ строительства целесообразно применять даже при большой глубине заложения станций, в тех случаях, когда трасса проходит вблизи существующих подземных сооружений или возникает необходимость обеспечить ее соединение с другими линиями.
В частности, строительство станционного комплекса «Вестминстер» площадью 17 тыс. м2 Юбилейной линии метрополитена в Лондоне осуществлялось в глубоком (около 40 м) открытом колодце-котловане, внутри которого до нижнего платформенного яруса эскалаторы опускаются на глубину 32 м.
Путевые станционные тоннели кругового очертания с расположенными в них посадочными платформами расположены рядом с котлованом в двух уровнях (один над другим) с целью сведения к минимуму зоны осадок земной поверхности, на которой расположены часовая башня Биг Бэн и Вестминстерский мост. Строительство станции обслуживалось двумя козловыми кранами. Котлован, имеющий крепление массивными цилиндрическими расстрелами, упирающимися в рамы из поясов и подкосов из монолитного железобетона, оставлен без несущего перекрытия с прозрачной крышей.
Станция «Бердмонси» этой же линии заложена на глубине около 20 м в открытом котловане размером сечения 50 х 50 м с ограждением «стена в грунте», которое для минимизации деформаций стен по трем сторонам поддерживается горизонтальными поясами из плоских стальных ферм в трех уровнях. Эти фермы опираются на колонны из буронабивных свай, сооруженных с поверхности земли до разработки котлована.
Фирма «Солетани Баши» (Франция) широко применяет метод «стена в грунте» в городских условиях, считая, что он наиболее полно решает проблемы, с которыми сталкиваются строители в центре города: узкие площадки строительных объектов; ограничения в сопутствующих шумах и движении; необходимость сохранения целостности строений, минимизации сброса сточных вод и шлама, использования экологически чистых материалов.
На рис. 11.13 показана технологическая последовательность сооружения «стены в грунте». Метод «стена в грунте» применялся в Париже при строительстве подземной автостоянки глубиной 48 м, дно котлована которой на 15 м ниже уровня грунтовых вод. Круглая «стена в грунте» глубиной 50 м, заглубленная в скальную породу, использована для устройства фундамента башни высотой 420 м в Гонконге. С применением этого метода сооружались шахтный ствол евротоннеля диаметром 58 м глубиной 21,0 м с толщиной стены 1,0 м в Сангате (Франция) и очистная станция Ижен в Париже.
Там же при строительстве станции метрополитена «Лионский вокзал» методом «стена в грунте» в стесненных условиях городской застройки возведено 5-этажное подземное сооружение, включающее в себя, помимо станции метрополитена, станцию железной дороги и зал ожидания. Длина станции метрополитена 225 м, ширина платформы 40,5 м. «Стена в грунте» толщиной 0,6 м сооружалась по периметру котлована глубиной 23 м.
При строительстве продолжения линии А метрополитена в Риме, которое велось с 1993 по 1998 гг. и включало в себя пять станций и тоннели двух кольцевых перегонов, также был применен способ «стена в грунте». На первом участке от ст. «Октавиан» до ст. «Чипро» (музей Ватикана) тоннель пройден способом «стена в грунте» с расположением путей один над другим вследствие очень стесненных условий строительства. Вертикальное расположение тоннелей обусловило двухъярусное размещение посадочных платформ для пассажиров на обеих станциях. Эта линия пройдена в осадочных грунтах на глубине 20 30 м.
На основании этих примеров строительства станций можно отметить следующие особенности зарубежного метростроения:
• широкое применение глубоких котлованов (30—40 м) больших размеров (50 х 50 м) с ограждением «стена в грунте», имеющим по высоте 3—4 яруса мощных распорных устройств;
• использование для обслуживания глубоких котлованов и шахтных стволов мощных козловых кранов вместо поверхностных шахтных комплексов;
• широкое применение новоавстрийского метода: набрызг-бетонной первичной крепи, слоев полиэтиленовой пленки, постоянной железобетонной обделки, постоянного мониторинга горного давления и деформаций подземных конструкций и земной поверхности;
• обеспечение высокого качества бетонных работ, позволяющего оставлять бетонную поверхность в качестве лицевой без дополнительной обработки.
Устройство форШахты;2
Рис. JJJ3 (<с
Панель во BneJaHa В грунте» в чептя г вРемя ее эксКаваОДи;’е^ города:
панелей
УСТаН°ВКааР^тУрь1;^
Зонирование
Отечественный опыт сооружения станций. Впервые метод «стена в грунте» при строительстве станций метрополитенов в бывшем СССР был реализован при возведении стен односводчатой обделки платформенного участка ст. «Площадь Независимости» (бывшая «Площадь Ленина») в Минске [18, ч. I, с. 70—74; 19; 26; 69; 96; 102].
Определенный интерес представляет технология сооружения станции «Восток» Минского метрополитена с несущими конструкциями и обделкой из крупноразмерных элементов [18, ч. I, с. 70—73; 112, рис. 1.86]. Важное преимущество этой технологии — независимый монтаж сборных элементов свода и лотка с зазором от стен, что позволяет выполнить обделку с высоким качеством лицевой поверхности в пределах технологических допусков.
Опыт проектирования и строительства Минского метрополитена позволяет оценить достоинства и недостатки различных вариантов сооружения «стен в грунте» — монолитного и сборного.
Недостатки монолитного — необходимость последующей обработки лицевой поверхности стен; потребность в дополнительных затратах металла для обеспечения жесткости арматурных каркасов при их подъеме и кантовании; сложность и трудоемкость выполнения ниш, консолей, штраб для объединения стен с другими конструкциями обделки; неконтролируемость качества бетона в условиях твердения в грунте; сложность обеспечения коррозийной стойкости конструкций в условиях агрессивных грунтовых вод. Вместе с тем монолитный вариант обеспечивает достаточную водонепроницаемость (особенно при использовании специальных бетонов), сплошность стен, технологичность применения механизмов сравнительно небольшой грузоподъемности.
Сборный вариант в значительной степени лишен недостатков, присущих монолитному. Железобетонные элементы заводского изготовления обладают необходимой водонепроницаемостью, чистотой лицевой поверхности, необходимой жесткостью, коррозиестой-костью, могут быть выполнены с необходимыми нишами и штра-бами. Этот вариант менее трудоемок, обеспечивает увеличение скорости сооружения, что немаловажно, особенно при возведении стен в зимних условиях. К недостаткам сборного варианта следует отнести большую массу элементов, требующую механизмов большой грузоподъемности; сложность гидроизоляции стыков; необходи
мость замещения бентонитового раствора в зазорах между элементами и грунтом, а также нагнетания цементного раствора под низ сборных элементов или предварительного бетонирования дна траншей. Многое из перечисленного можно компенсировать применением самотвердеющей суспензии.
Общая сложность обоих вариантов — в объединении стен с другими конструкциями обделки из-за относительно невысокой точности работ и необходимости большого объема сварки при стыковке арматуры.
На первых станциях столичного метрополитена, построенных с применением способа «стена в грунте» («Улица Подбельского», «Крылатское», «Люблино» и др.) достичь требуемого качества также не удалось. Так, в процессе возведения станции «Улица Подбельского» [111, рис. 5.52] после вскрытия котлована обнаружили, что уровень уложенного бетона «скачет» по высоте с амплитудой от проектной отметки до 1 м в ту или другую сторону (выше и ниже). Это произошло потому, что при отсутствии достоверных методов контроля граница бетонирования траншеи оказалась на 2,5 3 м ниже форшахты. Поэтому впоследствии пришлось вырубать «лишний» бетон или загустевшую бентонитовую суспензию. При этом были обнаружены участки СГ с бетоном, имеющим прочность на сжатие меньше расчетной. На этих участках пришлось вырезать металлоизоляцию, вырубать слабый бетон, затем восстанавливать арматуру, металлоизоляцию и укладывать качественный материал. Трудоемкость и низкие темпы «лечения» подобных дефектов очевидны.
При возведении станции «Крылатское» после вскрытия котлована были выявлены такие недостатки как: непробетонированные места (грунтовые включения) и пустоты в теле СГ; бетон СГ, перемешанный с глинистой суспензией; щели (расхождение швов по вертикали), а также непробетонированные или заполненные грунтом стыки; отсутствие защитного слоя арматуры; незавершенные заходки, когда верхняя их часть сплошь состоит из загустевшей суспензии. Появление таких дефектов связано, в основном, с нарушениями технологии строительства.
С целью снижения имеющихся недостатков при сооружении «стен в грунте» проектировщики пришли к выводу о необходимости разработки новой конструкции станции, в которой СГ как ограждающая конструкция воспринимала бы только нагрузки от бокового давления грунта, а дополнительные стены, сооружаемые под защитой СГ — вертикальные нагрузки и гидростатическое давление.
В этом случае между СГ и внутренней стеной устанавливается защитная стенка из экструзивных панелей, отверстия в которых заполняют цементно-песчаным раствором, а на поверхности устраивают оклеенную гидроизоляцию.
Такая конструкция стен была предусмотрена на станциях «Бибирево» и «Алтуфьевская» Тимирязевской линии и станциях «Волжская», «Люблино», «Марьино» Люблинской линии Московского метрополитена. Технологическая последовательность работ на станциях этого типа приведена на рис. 11.14.
Рассматриваемым СГ также свойственны определенные достоинства и недостатки. К первым следует отнести простоту конструкции арматурных каркасов; заложение подошвы СГ на различных относительно форшахты уровнях (при этом расход материалов снижает-а
Рис. 11.14. Этапы строительства станции «Волжская» в Москве: а срезка грунта, сооружение «пионерной траншеи»; б возведение «стены в грунте»; в сооружение обвязочной балки; г частичная разработка грунта в котловане; д установка с интервалом балок перекрытия; е устройство сплош ного перекрытия, доработка грунта до проектной отметки, бетонирование лот ка; ж гидроизоляция и обратная засыпка, монтаж внутренних конструкций
ся на 10—12 %); предварительную срезку слоя грунта, чтобы обеспечить возможность бетонирования траншеи до верха форшахты; сокращение объема гидроизоляционных работ. Существенных недостатков в описываемой конструкции не обнаружено, однако небольшие проектные просчеты и некоторые отступления от технологии строительства также не позволили соорудить СГ без дефектов.
11.5. Надвижка тоннельных конструкций в котловане
Надвижка тоннельных секций гидродомкратами. При строительстве протяженных участков перегонных тоннелей метрополитена мелкого заложения в некоторых случаях применяют котлованный способ работ в сочетании с цельно-секционной обделкой, которая имеет существенные преимущества по сравнению с обделками из отдельных блоков.
В этих условиях может оказаться эффективной технология надвижки секции обделки из монтажной камеры вдоль оси тоннеля. Суть этой технологии заключается в том, что после вскрытия и крепления котлована по всей длине строящегося тоннеля или на отдельном участке в монтажную камеру, которая устраивается в головной части котлована, поочередно опускают краном секции обделки и, объединяя их между собой, надвигают в проектное положение по заранее подготовленному основанию (рис. 11.15).
Надвижку секции можно вести гидравлическими домкратами, упирающимися в торцевую стену монтажной камеры, аналогично тому, как это делается при продавливании тоннелей. Можно надвигать секции системой тросов, установив тяговые лебедки во второй монтажной камере в противоположном конце котлована. Для надвижки секции по дну котлована должна быть забетонирована плита с утопленными в нее направляющими (например, рельсами), по которым и перемещаются секции обделки. Чтобы обеспечить заданное направление надвижки и предотвратить боковые смещения секции, на лотковой их части следует закрепить ограничительные элементы типа швеллеров.
Необходимое для надвижки секций усилие Р, развиваемое домкратами или лебедками, зависит главным образом от массы и количества надвигаемых секций и может быть ориентировочно определено по формуле (без уклона накаточных путей)
Рис. 11.15. Технологическая схема строительства тоннеля с надвижкой секции обделки гидродомкратами:
1 — крепь котлована; 2 — козловой кран; 3 — монтируемая секция обделки; 4 — контейнер с грунтом; 5 — бункер; 6 — самосвал; 7— монтажная камера; 8— гидравлические домкраты; 9— упор; 10 — накаточные пути; 11 — бетонная плита; 12 — надвигаемые секции; 13 — экскаватор; 14 — анкеры; 75 — опорные элементы; 16 — ограничительный элемент
(11.3)
где g вес секции, кН; L длина участка надвижки, м; I длина секции, м; \|/ коэффициент трения между опорными элементами и нака-точными путями, равный 0,18 при трении металла по металлу и 0,5 при трении железобетона по металлу.
После надвижки секций в проектное положение выполняют гидроизоляцию стыков и сопряжение секций с основанием. Для этого в зазор между днищем каждой секции и железобетонной плитой нагнетают песчаную смесь или цементно-песчаный раствор. После этого готовый тоннель засыпают грунтом.
Основное достоинство описанной технологии заключается в том, что крупногабаритные тоннельные секции опускают в котлован лишь в пределах монтажной камеры. Тем самым исключается необходимость перемещения крана вдоль бровки котлована, что позволяет значительно сузить строительную площадку. Кроме того, применение для опускания секций мощных стационарных кранов дает возможность увеличить длину и массу секции обделки.
Рассмотренную технологию можно применять при строительстве тоннелей длиной от нескольких сотен метров до нескольких километров при любых системах крепления стен котлованов (сваи, шпунт, «стена в грунте») и наличии распорной или анкерной крепи. Работы по надвижке секций можно вести как после вскрытия и крепления котлована по всей длине будущего тоннеля, так и одновременно с раскрытием котлована. В последнем случае целесообразно транспортировать разработанный грунт через надвигаемые секции с выдачей его на поверхность земли из монтажной камеры. Данная технология применима и при строительстве двухочковых тоннелей из спаренных секций, надвигаемых параллельно или последовательно.
Дополнительные затраты, связанные с устройством накаточных путей, установкой домкратов или лебедок, сопряжением секций с основанием, весьма незначительны и вполне окупаются теми преимуществами, которые обеспечивает данная технология работ.
Преимущества рассматриваемой технологии могут существенно возрасти при использовании транспортно-пешеходных мостов через котлованы для непрерывного проезда транспорта и прохода
пешеходов в местах пересечения основной магистрали с второстепенными улицами. Подобные временные мосты-перекрытия уже применяли при строительстве городских тоннелей в отечественной и зарубежной практике.
При использовании рассматриваемой технологии мосты-перекрытия через котлованы могут быть устроены не только в местах пересечения с другими улицами, но и по всей длине тоннеля (рис. 11.16).
В этом случае основные работы по строительству тоннеля, кроме забивки свай, ведут закрытым способом под защитой перекрытия, что позволяет практически не нарушать движение транспорта и пешеходов над строящимся тоннелем. Применение технологии надвижки секций взамен их монтажа позволяет увеличить темпы строительства тоннелей на 20—30 %. За счет возможности увеличения длины секций и, следовательно, сокращения трудоемкости монтажа и объемов работ по гидроизоляции стыков может быть достигнуто снижение трудоемкости работ на 12—15 %.
Таким образом, внедрение технологии надвижки крупногабаритных секций с устройством мостов-перекрытий на отдельных участках или по всей длине котлована в практику отечественного метро-и тоннелестроения будет способствовать дальнейшей индустриализации строительства тоннелей мелкого заложения на застроенных территориях с минимальными нарушениями городской среды.
Надвижка тоннельных конструкций на воздушной подушке. Одним из перспективных направлений возведения тоннельных конструкций метрополитена, как уже отмечалось, является технология их надвижки в предварительно пройденную и закрепленную выработку. При этом крупногабаритные секции тоннеля опускают в забойный котлован (рис. 11.17, а) или устанавливают непосредственно перед насыпью, а затем надвигают домкратами или лебедками по заранее устроенному основанию с утопленными в него направляющими в виде рельсов или прокатных балок.
С целью дальнейшего совершения технологии надвижки целесообразно использовать эффективную подъемно-транспортную систему, работающую по принципу воздушной подушки. Такая система позволяет перемещать тяжелые крупногабаритные конструкции без нарушения грунтового основания, поскольку коэффициент трения между перемещаемой конструкцией и поверхностью скольже-
Рис. 11.16. Схема надвижки тоннельных секций под перекрытием:
7 — поперечный прогон; 2 — железобетонная плита; 3 — продольный прогон; 4 — переходная плита; 5 — упор;
6 — пояс; 7 — клинья; 8 — тоннельная секция
Нерабочее состояние платформы
Создание воздушной
подушки
Транспортное состояние платформы
Рис. 11.17. Схема надвижки конструкций тоннеля в котловане (а) и принцип действия воздушной подушки (б):
1 передвижной компрессор; 2 трейлер; 5 крепь котлована; 6 система на воздушной подушке; 8
козловой кран; 3 секция тоннеля; 4 основание; 7 подъемно транспортная
забойный котлован; 9 воздуховод; 10
пневматическая опора; 11 воздушная подушка
ния не превышает 0,001, усилия надвижки незначительны и составляют 10—20 Н при перемещении грузов массой несколько тонн.
К преимуществам такой технологии относятся также высокая скорость и точность надвижки. Устройства на воздушной подушке могут легко перемещаться в любом направлении и разворачиваться вокруг собственной оси, что особенно важно при возведении тоннельных конструкций в стесненных условиях. Затраты на эксплуатацию
подъемно-транспортных систем на воздушной подушке сравнительно невелики, поскольку подобные системы, как правило, инвентарные и имеют многократную оборачиваемость. Технология не требует применения сложного дорогостоящего оборудования. Для надвижки могут использоваться серийные передвижные компрессоры, ресиверы, гибкие шланги и воздухораспределительные устройства.
Подъемно-транспортная система на воздушной подушке состоит из стальной или железобетонной грузонесущей платформы с пневматическими опорами (воздухо-опорными оболочками). После установки на платформу перемещаемой конструкции в пневматическую опору нагнетают под давлением сжатый воздух. Опора надувается и поднимает платформу, причем часть воздуха через узкие отверстия в опорах проникает во внутреннюю полость и создает воздушную подушку (рис. 11.17, б).
Как только вертикальная подъемная сила, вызываемая избыточным давлением порядка 5—20 кПа, становится равной весу платформы с находящейся на ней конструкцией, опора поднимается над основанием на 0,01—0,13 мм и платформа с грузом может перемещаться в заданном направлении, практически не испытывая сопротивление трения.
Малая толщина воздушного слоя под пневматическими опорами требует ровных и гладких поверхностей скольжения без трещин и пор, через которые может происходить утечка воздуха, сопровождающаяся падением давления в полости воздушной подушки. Обычно поверхность скольжения устраивают из алюминиевых или пластмассовых опор, резиновых лент, полихлорвиниловых ковров и т.п. Увеличение шероховатости поверхности скольжения влечет за собой повышение расхода воздуха.
Пневматические опоры выполняют из нейлона или других полимерных материалов, на которые с обеих сторон наносят покрытия из натурального каучука или полихлоропрена. Конструкции опор весьма разнообразны и различаются как размерами поперечного сечения, так и принципом действия. В ряде случаев применяют пневматические опоры в виде цельных надувных мембран тороидальной формы (рис. 11.18, а, б).
Надувная мембрана может быть защищена снизу кольцом из износостойких материалов и жестким кожухом (рис. 11.18, в). В та-
№ ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж
W Ж Ж W Ж Ж Ж Ю Ю Ю Ж Ж
д
ZV ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж
Рис. 11.18. Виды пневматических опор: а, б цельные надувные мембраны торо идальной формы; в мембрана с защит ным кольцом и жестким кожухом; г ка мера с пористой мембраной; д сегмент ные опоры; 1 воздушный узел; 2 гру зонесущая платформа; 3 пневматиче ская опора; 4 жесткий защитный кожух; 5 гибкий износоустойчивый материал
ких конструкциях воздух в мембрану и в центральную камеру подается раздельно. Иногда защитное кольцо оснащают гибкой оболочкой, что повышает надежность уплотнения. Существует конструкция, предусматривающая закрытие центральной воздушной камеры пористой мембраной (рис. 11.18, г), ее преимущество заключается в способности преодолевать некоторые неровности опорной поверхности, включая уступы высотой 10—12 мм и щели шириной до 50 мм. В связи с большой площадью контакта оболочки с основанием требуется увеличение расхода сжатого воздуха. Это
достигается с помощью засасывания воздуха небольшим эжектором, установленным на боковой поверхности опоры.
Находят также применение сегментные опоры. Каждый сегмент представляет собой треугольный кусок ткани, сложенный в виде петли
и прикрепленный к грузовой платформе (рис. 11.18, д). После на
гнетания в сегменты воздуха они прижимаются один к другому, образуя гибкое уплотнение, удерживающее воздух в замкнутом пространстве. Такие пневматические опоры позволяют перемещать грузы и по неровной поверхности без существенного увеличения расхода воздуха, поскольку треугольные сегменты легко огибают препятствия и углубления.
Наряду со сжатым воздухом, для создания подушки иногда используют воду или масло, которые больше подходят при перемещении тяжелых грузов. Так, системы с водяной подушкой могут оказаться эффективными при перемещении конструкций с суши на воду, например, при спуске со стапелей погруженных секций подводных тоннелей.
Как показывает опыт надвижки тоннельных конструкций, использование подъемно-транспортных средств, работающих по принципу воздушной подушки, может оказаться весьма эффективным. Такую технологию следует применять прежде всего для надвижки крупногабаритных конструкций автотранспортных и пешеходных тоннелей, перегонных тоннелей и станций метрополитена мелкого заложения, сооружаемых открытым способом, тоннелей путепроводов и водопропускных труб, сооружаемых способом продавливания через насыпи железных и автомобильных дорог, а также при строительстве подводных тоннелей способом опускных секций. При этом появляется возможность значительно увеличить размеры и массу монтажных элементов, резко ускорить процесс возведения конструкций, снизить трудоемкость и стоимость работ.
11.6. Особенности строительства подземных сооружений метрополитена в слабых водоносных грунтах
Строительство подземных сооружений метрополитена мелкого заложения в водоносных грунтах сопряжено с многочисленными проблемами как технического, так и экологического характера. В последние десятилетия в крупных городах нашей страны наблюдаются нарушения баланса подземных вод и значительные колебания их уровней, вызванные природными и техногенными факторами, наиболее важными из которых являются откачка подземных и инфильтрация грунтовых вод.
Интенсивная откачка напорных подземных вод, главным образом, для нужд промышленных предприятий, вызывает разуплотнение грунтовой толщи и, как следствие, деформации грунтового массива, поверхности земли, зданий и сооружений, дорог и инженерных коммуникаций. Так, в Москве вследствие откачки подземных вод зафиксированы оседания ряда территорий до 120—150 мм и бо
лее. В ближайшем к поверхности земли грунтовом горизонте наблюдается подтопление, вызванное значительными потерями из сетей водопровода и канализации, многие из которых построены давно и капитально не ремонтировались. Кроме того, следует учитывать сезонные подтопления, вызываемые атмосферными осадками, таянием снега и пр. К отрицательным последствиям подтопления территорий относятся оползни, эрозия почвы, образование суф-фозионно-карстовых провалов, усиление коррозии подземных трубопроводов, затопление подвалов и фундаментов зданий, снижение несущей способности грунтов и др.
До определенного времени откачка воды из подземных горизонтов и инфильтрация в верхние слои грунта могут в какой-то степени взаимно компенсироваться, однако со временем этот баланс может быть нарушен, что приведет к подтоплению территории и поднятию первого водоносного горизонта к поверхности земли. В этих условиях строительство метрополитена вносит дополнительные нарушения в режим подземных вод, вызывая увеличение скоростей фильтрации и активизацию физико-химического действия воды.
По данным мирового опыта, при строительстве подземных сооружений мелкого заложения в слабых водоносных грунтах с коэффициентом фильтрации от 0,3 до 100 м/сут наиболее распространенным и экологически чистым способом осушения грунтового массива является искусственное водопонижение [10; 26; 74; 76; 103, ч. 3]. В зависимости от глубины заложения станции относительно уровня грунтовых вод, способа ее строительства и степени водоотдачи грунтов применяют различные системы водопонижения с использованием легких иглофильтровых, вакуумных, инжекторных или вакуумно-эрлифтных установок.
При строительстве станций котлованным способом со свайным ограждением водопонижающие скважины располагают обычно с наружной стороны стен выработки, однако при наличии ограждающих СГ или стального шпунта целесообразно устройство внутреннего поярусного водопонижения с размещением скважин внутри котлована. В Австрии, например, разработана и применяется технология глубокого водопонижения непосредственно через ограждающие СГ, при которой донную часть траншеи под стены ог-
б
a
Рис. 11.19. Схема водопонижения через «стену в грунте» (а) и конструкция водопонижающей скважины (б):
1 отметка поверхности земли; 2 уровень грунтовых вод; 3 обсадная труба;
4 железобетонная «стена в грунте»; 5 дно котлована; 6 депрессионная кривая; 7 фильтровое звено; 8 гравийная засыпка; 9 торцевая пластина
раждения набивают гравием и опускают водопонижающие трубы (рис. 11.19). При этом отпадает необходимость в бурении многочисленных скважин.
Независимо от способа и технологии водопонижения последствия его часто бывают негативными, поскольку из-за осушения массива значительно возрастают напряжения в грунте от собственного веса (исключается «взвешивающий эффект» воды), что вызывает осадки грунтового массива, сопровождающиеся в ряде случаев нарушением устойчивости близлежащих зданий и сооружений, особенно если ограждающие котлован конструкции не достигают водоупорного пласта. Кроме того, в процессе откачки воды возможен суффозионный вынос мелких пылеватых частиц, что также сказывается на деформативных свойствах грунта.
Во избежание перечисленных нарушений целесообразно применение технологии компенсирующей добавки воды в грунт через специально устроенные скважины. Такой способ использован, в частности, на строительстве одной из станций метрополитена в Брюс
селе (Бельгия), сооруженной траншейным способом с применением внутреннего водопонижения.
Скважины для компенсирующей добавки располагали с шагом 5—10 м, заглубляя их на 5 м в пласт обводненных грунтов (рис. 11.20).
Зазор вокруг доливочных трубок на верхней границе этого пласта уплотняли пробкой из мягкой глины. Добавку воды производили при избыточном гидростатическом давлении от 0,02 до 0,04 МПа во избежание повышения уровня воды в доливочных скважинах. Как видно из рисунка, применение компенсирующей доливки практически не сказалось на эффективности внутреннего водопонижения, однако исключило резкое опускание кривой депрессии и возможные деформации грунтового массива вблизи подземной станции метрополитена.
Рис. 11.20. Схема внутреннего водопонижения без компенсирующей доливки (а) и с доливкой (б):
7 глина; 2 песок; 3 ил или торф; 4 строящееся подземное сооружение;
5 водопонижающие скважины; 6 всасывающий насос; 7 сливная труба для удаления избыточной воды в канализацию; 8 пригрузочный бак для со здания гидростатического давления; 9 резервуар для воды; 10 доливочная скважина; 77 депрессионная кривая
В тех случаях, когда водопонижение оказывается неэффективным или практически невозможным, применяют подводную разработку грунта и подводное бетонирование фундаментной плиты, а также специальные способы стабилизации основания (струйную цементацию, искусственное замораживание, химическое закрепление). При этом следует учитывать высокую стоимость работ по замораживанию и химическому закреплению грунтов и опасность загрязнения подземных вод химическими реагентами.
Подводную разработку грунта ниже уровня грунтовых вод осуществляют при помощи грейферов, установленных на бровке котлована, закрепленного водонепроницаемым ограждением (стальной шпунт или «стена в грунте»). После разработки котлована до проектной отметки методом ВПТ бетонируют фундаментную плиту. Затем котлован осушают и возводят перекрытие и лоток подземного сооружения (рис. 11.21).
Во избежание всплытия фундаментной плиты ее делают массивной или заанкеривают в коренные грунты. В частности, фундаментную плиту станции метрополитена в Брюсселе заанкерили в прочный водоупорный пласт с помощью буронабивных свай с уширенным основанием. При глубоком залегании водоупорных пластов для уменьшения притока грунтовых вод в котлован ниже ограждающих стен устраивают противофильтрационные завесы из глиногрунтовых или
1 этап
11 этап
111 этап
Рис. 11.21. Технологическая последовательность возведения подземного
сооружения в водоносных грунтах:
I этап подводная разработка грунта; II этап подводное бетонирование фун даментной плиты; III этап откачка воды, возведение лотка и перекрытия;
1 уровень грунтовых вод; 2 грейфер; 3 «стена в грунте»; 4 бетонолитная труба; 5 фундаментная плита; 6 перекрытие; 7 лоток
глиноцементных материалов. Если ограждения выполнены в виде «стен в грунте», нижняя их часть может быть устроена как противо-фильтрационная (до водоупора).
Контрольные вопросы к главе 11
1. В каких случаях применяют открытый способ строительства станций метрополитена?
2. В какой технологической последовательности ведут строительство станций открытым способом?
3. Как осуществляется разработка грунта в мелких и глубоких котлованах?
4. В чем состоит особенность возведения несущих конструкций станции из сборного и монолитного железобетона?
5. В чем заключаются особенности зимнего бетонирования?
6. На чем основаны новые технологии возведения перекрытий станций?
7. В чем состоит сущность способа «стена в грунте»?
8. Какие разновидности «стен в грунте» вам известны? Назовите их достоинства и недостатки.
9. Назовите основные достоинства и недостатки сооружения станции с применением способа «стена в грунте».
10. В чем заключаются сущность способов надвижки тоннельных секций в котлованах, каковы достоинства и недостатки этих способов?
11. Какие мероприятия применяют при строительстве подземных сооружений в слабых водоносных грунтах?
Глава 12. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ КРЕПЛЕНИЯ СТЕН КОТЛОВАНОВ
12.1. Классификация методов
Разработка и крепление котлованов, несмотря на временный характер этих сооружений, являются весьма дорогостоящими и трудоемкими технологическими процессами, затраты на них составляют до 25—40 % полной стоимости сооружения станции метрополитена. При этом в связи с резким ростом стоимости и дефицитности металлопроката (двутавровые сваи и трубчатые расстрелы) проблема совершенствования методов крепления и широкого применения наиболее экономичных конструктивно-технологических решений в настоящее время является весьма актуальной. В общем случае задачу крепления котлованов можно решить двумя принципиально различными методами.
Первый метод — возведение ограждающей конструкции с помощью дополнительного опорного крепления, позволяющего снизить размеры, массу и стоимость ограждающей стены вследствие уменьшения в сечениях изгибающих моментов и повышения сопротивления сдвигу. В качестве такого крепления применяют продольные пояса жесткости, распорные элементы (расстрелы) или грунтовые анкеры. Ограждающая стена в этом случае может быть выполнена из погружаемых свай-балок, шпунта, буронабивных свай, «стены в грунте» и др. [18, ч. I, гл. 2; 30; 33; 42; 46, гл. 20; 77; 103, ч. 3, гл. 1].
Распорные системы (одно- и многоярусные) включают в себя распределительные пояса, выполняемые по периметру ограждающих конструкций чаще из спаренных двутавровых балок, и распорки-расстрелы из труб различного диаметра (подбираются расчетом на прочность и устойчивость) при их шаге 5—6 м. Конструктивно и технологически распорная система проектируется так, чтобы она позволяла наилучшим образом разрабатывать котлован строительной техникой и выполнять монтаж конструкций станции.
Применение расстрелов целесообразно в случае нешироких котлованов, до 10—15 м, где без значительных затрат обеспечивается
продольная устойчивость самих расстрелов, а также при невозможности или большой сложности устройства анкерного крепления. Областью рационального применения расстрелов являются котлованы для однопутных перегонных тоннелей метрополитена, пешеходных тоннелей, коллекторов различного назначения. Расстрелы могут изготавливаться из прокатных балок (пакеты швеллеров, двутавров) или труб и не требуют сложного оборудования и специальной технологии работ.
Анкерное крепление котлованов является одним из прогрессивных его видов, позволяющих сооружать конструкцию станции в менее стесненных условиях по сравнению со способом крепления котлованов распорной крепью (расстрелами). Несмотря на то, что трудоемкость анкерного крепления несколько выше, чем крепление расстрелами, удобство работ дает увеличение темпов сооружения конструкций, а следовательно, сокращение сроков строительства станции.
Второй метод заключается в укреплении грунта по периметру котлована и передаче функции ограждения непосредственно грунтовому массиву, обладающему повышенной несущей способностью. К этим видам крепления относятся замораживание, инъекция вяжущих, армирование грунта, термическое закрепление и т.д. Крепление классифицируют также по характерным свойствам ограждения, к которым относятся: деформируемость под нагрузкой, водонепроницаемость, возможность использования в качестве элементов постоянной конструкции, потребность в дополнительном креплении и т.п. Наиболее широкое применение в качестве ограждающих конструкций котлованов при строительстве станций метрополитена открытым способом находит свайно-балочное ограждение с использованием двутавровых металлических балок № 30—60 (рис. 12.1).
Меньшие профили не используют по условиям погружения.
Балочное крепление характеризуется упругостью и проницаемостью для напорных вод, зависит от окружающего грунта и подлежит демонтажу. Для демонтажа балок поясов и обшивки и для завершающего заполнения пазух и уплотнения засыпки требуется рабочее пространство от 100 до 120 см. Параметры ограждения котлована, глубину забивки, шаг свай, толщину досок затяжки и т.п. определяют расчетом.
Рис. 12.1. Балочное крепление:
а общий вид; б способы заполнения каркаса; 1 деревянные доски (брусья, подтоварники); 2 затяжка; 3 бетон (железобетон) монолитный или сборный
Деталь А 1,304-1,60
Рис. 12.2. Шпунтовая стена
Шпунтовая стена относится к упругому, слабо деформируемому, условно непроницаемому для напорной воды (замковая вода) и демонтируемому типу крепления (рис. 12.2).
Шпунтовое ограждение, состоящее из сплошного ряда стальных балок специального профиля с повышенным моментом сопротивления (шпунт типа ШК, «Ларсен» Л-IV, Л-V и др.), как правило,
применяют при глубине котлованов до 8,0 м. В некоторых случаях используют также железобетонный шпунт различных сечений, имеющий дополнительный торцевой крепеж для обеспечения водонепроницаемости или шпунт из синтетического материала, физико-химические и технические свойства которого позволяют применять его в агрессивной среде.
Важное значение в технологии устройства свайно-балочных и шпунтовых ограждений имеет процесс погружения элементов в грунт, который осуществляется обычно одним из трех способов: ударный, гидравлическим задавливанием и вибрационный. Основными факторами, определяющими выбор способа погружения, являются грунтовые условия, наличие вблизи котлована жилых зданий или других сооружений, масса, длина и профиль погружаемых свай, наличие необходимого оборудования. В условиях плотной городской застройки для погружения шпунта в основном применяют вибрационные копры, в наибольшей степени отвечающие требованиям защиты окружающей среды. Для облегчения погружения в плотных грунтах оправдал себя способ подмыва, при котором через наконечник шпунтовой балки нагнетается вода или глинистый раствор. Погружение шпунтовых свай пакетами на полную глубину увеличивает производительность работ и повышает качество ограждения. Перспективным методом погружения шпунтовых свай и балок является их гидравлическое вдавливание в грунт.
Шпунт, так же как и балочные ограждения, чаще всего предусматривают извлекаемым из грунта, для чего используют механизмы, аналогичные применяемым для погружения. В некоторых случаях шпунтовое ограждение проектируется неизвлекаемым и может входить в основную конструкцию сооружения в качестве жесткой арматуры. Шпунтовые стены, остающиеся в грунте, омоноличива-ют железобетонной обвязкой.
Шпунтовая стена относится к гибким видам крепления, поэтому ее целесообразно использовать в водонасыщенных грунтах при отсутствии вблизи котлована зданий и сооружений. В случае заглубления стенки в водоупор можно обойтись без водопонижения.
В последние годы в качестве ограждающих конструкций все более широкое применение находит способ «стена в грунте». Исходя из достаточной прочности, малой деформируемости, водонепрони
цаемости использование этого вида ограждения эффективно в следующих случаях: в стесненных городских условиях при наличии непосредственно вблизи бровки котлована зданий и сооружений или участков с интенсивным движением транспорта; в сложных инженерно-геологических условиях при высоком уровне грунтовых вод; при наличии водоупорного слоя грунта на практически достижимой глубине; в случаях, если «стена в грунте» служит не только для ограждения, но является также элементом постоянной конструкции сооружения (см. п. 11.4).
В некоторых случаях ограждение котлована может выполняться из буронабивных свай. Крепление котлована по этому способу осуществляют путем возведения по контуру выработки до экскавации грунта сплошной или прерывистой свайной стенки. Ограждение из буронабивных свай относится к малодеформирующимся видам крепления, и его целесообразно применять в случае больших нагрузок на бровке котлована. Наиболее экономично использование свайной стены в качестве несущего элемента строящегося сооружения.
Различают три группы свайных стен: с прерывистым расположением свай, с касательным их сопряжением и секущиеся (рис. 12.3).
Стены с прерывистым расположением свай устраивают в сухих связных грунтах, способных держать вертикальный откос высотой 1—2 м. Промежуток между сваями во избежание образования местных вывалов защищают сборной или бетонной затяжкой. Расстояние а между осями свай должно находиться в пределах (Z) + 50 мм) < а < 3D, где D — диаметры скважин, м.
Сваи с касательным сопряжением используют в несвязных грунтах, чтобы избежать осыпания грунта между сваями при раскрытии котлована, а следовательно, и осадок поверхности. На практике касательные сваи размещают с промежутком в свету около 50 мм для обеспечения определенного допуска при изготовлении соседних свай. Параметр а определяется из выражения а = D + 50 мм.
Стены из секущихся свай сооружают, когда дно котлована ниже уровня грунтовых вод. На первом этапе изготавливают сваи без арматуры. На втором, после затвердевания бетона этих конструкций, между ними устраивают сваи таким образом, чтобы бетон соседних частично подрезался. Сваи второго этапа армируют. Благодаря полученному сцеплению образуется сплошная прочная стена
Рис. 12.3. Стена из буронабивных свай: а — общий вид; б — с прерывистым расположением свай; в — с касательным (тангенциальным) сопряжением; г — из секущихся свай
p i 'Lb/
i*— ba —>4<— ba —>
Z) = 57, 67,71,88, 100, 130 см bt<ba<3D
я = Z)/2 + 5 см или 1,00 или 1,25 м (зависит от прибора)
а = 0...12°
Z) = 57, 67,71,88, 100, 130 см
bt = D + 5 см
а = D/2 + 5 см или 1,00 или 1,25 м (зависит от прибора)
а = 0...12°
Z) = 67, 88, 100, 130 см
be = D - 13(10) см
а = 1,00 м или 1,25 м (зависит от прибора)
а = 0...12°
с повышенной водонепроницаемостью. Врезка в бетон соседних свай составляет 80—100 мм в зависимости от диаметра бурения. Диаметр свай — от 600 до 1300 мм.
Буровые сваи устраивают по следующей технологической схеме: бурение скважин, установка арматуры, заполнение бетонной смесью. При этом больше половины затрат труда, времени и стоимости приходится на бурение скважин. Применяются также иные технологии (например, фирмой «Элгад»), когда через отверстие в полом шнеке скважины заполняются бетоном в процессе бурения, а каркас погружается в литой бетон при помощи виброзадавливания.
Для предотвращения обрушения стенок скважин при бурении применяют обсадные трубы, избыточное давление воды или глинистого раствора. Применение обсадных труб является наиболее эффективной мерой обеспечения качества бурения скважин в неустойчивых обводненных грунтах, а также подводной укладки бетонной смеси. Иногда трубы оставляют в грунте, и они входят в конструкцию сваи.
Для объединения отдельных свай в стенах с прерывистым или касательным расположением свай устраивают продольные пояса из стальных профилей или железобетонной балки, бетонируемой на месте.
Ограждающие конструкции из буросекущихся свай, как правило, устраивают в водонасыщенных грунтах при наличии неустойчивых (плывунных) прослоев. Проблемы, которые возникают при этом способе, связаны с излишним отбором и разуплотнением грунта за счет его текучего состояния и выдавливания внутрь обсадных труб при проходке скважин. Такое разуплотнение грунтов нередко приводит к деформациям оснований близко расположенных эксплуатируемых зданий. Во избежание этих явлений требуется обеспечивать опережающую обсадку трубами забоя скважины (сохранение пробок), а при необходимости дополнительно осуществлять пригрузку забоя бентонитовым раствором либо водой.
Прогрессивным методом крепления вертикальных грунтовых стен или крутонаклонных откосов котлованов и выемок различного назначения является использование в качестве подпорной конструкции самого грунта, укрепленного системой арматурных стержней (нагелей). Метод, разработанный в конце 70-х гг. в Германии, получил название нагельного крепления и все шире применяется в мировой практике.
Устройство котлованов, особенно глубоких, как бы надежно ни выполнялось их крепление, приводит к изменению напряженно-деформированного состояния (НДС) вмещающих грунтов и воздействию на близко расположенные к котловану здания и сооружения. Эти воздействия могут вызывать деформации в фундаментах, тре-щинообразование в зданиях. Чтобы не допускать деформации существующих зданий и сооружений, разработку котлована необходимо вести этапами с учетом действующих нагрузок и НДС, проводить мероприятия по усилению их фундаментов и оснований.
В качестве таких мероприятий чаще всего предусматривается цементация фундаментов и контакта фундамент-грунт существующих зданий, реже — усиление фундаментов и оснований буроинъекционными сваями, иногда — устройство стенки из буровых свай и погружаемых труб. Для этих целей могут применяться также струйная технология, инъекционное уплотнение песчаных грунтов с применением высоко дисперсных цементов (микробур), химическое закрепление грунтов. Но эти мероприятия по технико-экономическим соображениям применяются редко.
72.2. Крепление ограждающих конструкций с помощью анкеров
Конструктивные особенности анкерных устройств. Под анкерным креплением понимается строительный метод, обеспечивающий взаимную связь конструкции и грунта. Анкеры — это длинные стальные конструктивные элементы, закрепляемые в слоях грунта и на самой анкеруемой конструкции, способные воспринимать значительные напряжения и передавать их в грунт.
Анкеры устанавливают во всех грунтах, за исключением слабых, сильно сжимаемых, глинистых текучей консистенции, торфов и илов, а также просадочных. При необходимости диапазон применения может быть расширен путем использования специальных конструкций и методов испытаний. Анкеры классифицируют (рис. 12.4): по сроку службы; по наклону к поверхности; по способу бурения скважины; по принципу устройства заделки в грунте; по виду анкерной тяги; по способу включения в работу крепления.
Рис. 12.4. Классификация грунтовых анкеров
Наиболее широко как в отечественной, так и в мировой практике строительства в целом и метростроения в частности применяются инъекционные грунтовые анкеры, в которых закрепление в грунте создается путем нагнетания в рабочую зону твердеющих растворов, как правило, на основе портландцементов.
В песчаных и гравелистых грунтах инъекционный раствор проникает в поры и образует большое цементное тело инъекции. В связных грунтах расширение тела инъекции по сравнению с диаметром скважины не наблюдается. Однако при нагнетании раствора под высоким давлением (до 2—3 МПа), создается достаточно надежное закрепление в грунте, способное воспринимать нагрузки до 200—300 кН. В зависимости от конкретных условий может быть использован тех
нологический прием многократной инъекции. Возможно введение в раствор различного рода добавок, снижающих срок включения анкеров в работу крепления (время выдержки), повышающих качество цементного тела или снижающих усадку, так как вследствие увеличения объема создается лучшее сцепление с грунтом.
По способу включения в работу крепления анкеры подразделяют на самонапрягающиеся и предварительно-напряженные. Самонап-рягающиеся анкеры получают нагрузку в результате перемещений ограждения относительно грунта, в котором анкеры закреплены. Такие неконтролируемые перемещения могут быть довольно значительными. Поэтому с целью увеличения жесткости системы крепления для подпорных стен котлованов в большинстве случаев применяются предварительно-напряженные анкеры, обладающие рядом преимуществ: экономичность; образование защитного слоя от коррозии; хорошее сцепление затвердевшего цементного раствора с тягой; высокие значения несущей способности, превосходящие прочность материала тяги из стали. Надежность анкерного крепления зависит от конструкции и технологии изготовления анкеров. Конструктивные решения грунтовых анкеров, расчеты их несущей способности, технология работ в настоящее время разработаны достаточно хорошо, и практически нет проблем в применении этих систем.
Конструктивно грунтовые анкера подразделяются на два типа: прядевые и стержневые. Прядевые анкера являются классическими, конструкция их была впервые разработана французской фирмой «Солетанш», применительно к отечественным условиям первыми разработчиками были Гидроспецпроект и НИИОСП. В этих анкерах несущими являются высокопрочные канаты диаметром до 15 мм, число которых определяется расчетной нагрузкой. Заделка анкера достигается многократной инъекцией грунтов твердеющим раствором через манжетную колонну при давлении до 2,0 МПа. Несущая способность таких анкеров может достигать 1800 кН.
В стержневых анкерах несущими являются арматурные стержни различного диаметра (класса AIII-AV), предпочтительно — винтовые.
При устройстве анкера применяют различные технологии. В частности, технология фирмы «Бауэр» предполагает выполнение ряда операций (рис. 12.5).
a
Рис. 12.5. Устройство анкера по технологии фирмы «Бауэр»:
а бурение скважин обсадными трубами диаметром 70 150 мм; б сбива ние бурового наконечника и введение тяжа анкера; в вытягивание буровой колонки с одновременным нагнетанием в анкеруемый участок стержня цемент ной суспензии; г испытание анкера примерно через 6 8 дней после на гнетания; д установка анкера на нужное напряжение; 1 анкеруемая стена; 2 труба оболочка; 3 тяж анкера; 4 корень анкера; 5 пята анкера;
6 оголовок анкера; 7 опорная конструкция
При этом для контроля рабочей нагрузки каждый временный или постоянный анкер до эксплуатации подвергается минимум 1,2- и 1,5-кратной нагрузке от расчетной соответственно.
Существуют различные технологии устройства заделки анкера, например, ОАО «ВИЗБАС» применяет вторичную инъекцию цемен
тного раствора под давлением 2 МПа, причем с целью повышения темпов работ (на основании рекомендаций ЦНИИС) — с ускоренным сроком твердения; в глинистых грунтах для повышения несущей способности применяется многократная инъекция через специальную манжетную колонну или образование уширений; фирма «РИТА» формирует заделку анкера по технологии НИИОСП путем обработки его корня серией высоковольтных разрядов (энергия разряда 40 кДж) с одновременным доливом цементного раствора по мере его ухода; фирма «Геотехника» при вторичной инъекции использует расширяющийся цементный состав с комплексом добавок под давлением 0,8 МПа.
Устройство анкерной крепи с помощью пневмопробойников. За время применения в строительной практике метода анкерования в грунте в зависимости от срока службы, назначения грунтовых условий и прочего разработано значительное количество конструкций и технологий устройства инъекционных анкеров. В частности, при строительстве метрополитена в Новосибирске исследована и отработана технология устройства грунтовых анкеров с использованием пневмопробойников. Целью испытаний была разработка конструкции грунтовых анкеров высокой несущей способности и оптимальной технологии, использующей нормокомплект средств механизации, серийно выпускаемых отечественной промышленностью [60,75].
Для отработки технологии испытаний несущей способности были выбраны наиболее известные конструкции грунтовых анкеров (рис. 12.6).
Испытания несущей способности нескольких типоразмеров каждого анкера в различных грунтах (всего было испытано 100 анкеров) показали, что максимальную нагрузку выдерживают анкеры с уширением, а наиболее деформативны тумбовые анкеры; все испытанные анкеры оказались работоспособными и могут найти применение в транспортном строительстве.
Хронометражные наблюдения и фотографии рабочего дня, произведенные в процессе сооружения объектов Западно-Сибирским филиалом ВПТИтрансстроя, показали, что специализированное звено проходчиков обеспечивает производительность, соизмеримую с показателями, достигнутыми при использовании комплекса фирмы «Бауэр»: 8,75 чел./ч и 8,77 чел./ч на 1 анкер (соответственно), а отношение стоимостей комплексов механизмов для устройства анкеров составляет 1:30.
Рис. 12.6. Конструкции грунтовых анкеров, принятых для испытаний: а — цилиндрический; б — инъектируемый; в — тумбовый; г — с уширением; д — камуфлетный
LU чо LU
Рассмотрим технологию устройства анкерной крепи с уширениями дополнительными проходками, внедренную при строительстве Новосибирского метрополитена. Пробивку скважин в грунте осуществляли с помощью пневмопробойников типа ИП-4603А [93, табл. 21.14]. Предварительно пневмопробойник 1 устанавливают на стартовом приспособлении, смонтированном вплотную к вертикальной стене котлована на одинаковом расстоянии от двух соседних свай (рис. 12.7, а).
Рис. 12.7. Устройство грунтовых анкеров с помощью пневмопробойников: а.. .е этапы; 1 пневмопробойник; 2 растворонагнетатель; 3 армирую
щий стержень; 4 домкрат; 5 прожбомер; 6 маслонасос
Пневмопробойник запускают в работу, проходят в грунте скважину необходимой длины, затем реверсируют и перемещают назад по скважине к ее устью.
Скорость проходки скважины существенно колеблется в зависимости от вида грунта и глубины заложения. Наибольшая скорость наблюдается в супесях (до 60 м/ч) ближе к поверхности, а наименьшая (до 10 м/ч) в плотных суглинках на глубине 6—8 м от поверхности. После пробивки скважины ее (на длину рабочей части) при помощи растворонагнетателя 2 типа РН-1 заполняют жестким цементно-песчаным раствором состава 1:3 с В/Ц = 0,28—0,32 (рис. 12.7, б). По заполненной раствором скважине повторно пускают пневмопробойник 7, который втрамбовывает раствор в стенки скважины, увеличивая ее диаметр (рис. 12.7, в). Для обеспечения роста несущей способности анкера эту операцию повторяют 2—3 раза (рис. 12.7, г). В скважину с образованным в ней уширенным замком устанавливают армирующий стержень 3 из арматуры периодического профиля (рис. 2.7, д) и заливают на необходимую глубину пластичным цементно-песчаным раствором состава 1:3 с В/Ц = 0,6. Раствор выдерживают до достижения им прочности 20 МПа, после чего производят натяжение анкера (рис. 12.7, е) используя домкрат 4, проги-бомер 5 и маслонасос 6.
Повторные проходки по смеси выполняются без затруднений: скорость движения машины выше, чем по грунту. Ограничений по длине скважины не установлено, во всяком случае, скважины длиной до 15 м пробиваются без затруднений. С увеличением числа дополнительных проходок скорость несколько падает, что объясняется увеличением сопротивления от вдавливания большого количества смеси в грунт. При третьей дополнительной проходке скорость падает на 10—15 %, при четвертой уменьшается вдвое. Поэтому принято считать три дополнительные проходки пределом, тем более что существенного увеличения несущей способности четвертая проходка по сравнению с третьей не дает.
Экспериментально установлено, что растворный цилиндр при проходке пневмопробойниками по раствору формируется неравномерно, в основном по направлению вниз и в боковые стенки скважины, образуя сечение, близкое по форме к эллипсу — с большим диаметром 250—270 мм, меньшим — 200—220 мм (рис. 12.8), тол-
Рис. 12.8. Конструкция набивного анке ра, выполненного с тремя дополнитель ными проходками пневмопробойника
ИП4603А:
1, 6 первый слой (6] 5 6 мм, 35 40 мм); 2, 5 второй слой (62 12 13 мм, 65 40 мм); 3, 4 третий
внутренний слой (63 20 мм, 64 50 мм); 7 стальной стержень d 36 мм
щиной верхней стенки 5—7, нижней—130—140 мм. Поэтому решили отказаться от направляющих и центрирующих элементов, а стержень укладывать непосредственно на нижнюю стенку скважины. В этом случае стержень попадает практически в центр эллипса. Стержень без направляющих прост по конструкции, достаточно легко входит в скважину, так как ее
стенки хорошо уплотнены. В результате испытаний рекомендованы устанавливаемые с помощью пневмопробойника ИП 4603А набивные анкеры с длиной замковой части 5 м и тремя дополнительными проходками, обеспечивающие восприя
тие предельной нагрузки 450 и 500 кН в суглинке и 525 кН — в супесях станции «Октябрьская». На основании проведенных исследований и опыта строительства станций метрополитена в Новосибирске разработана технологическая карта «Устройство грунтовых анкеров с помощью пневмопробойников».
До начала работ по устройству грунтовых анкеров должны быть выполнены следующие подготовительные работы: размещены ме
ханизмы для приготовления и подачи раствора в скважины; установлены емкости для хранения цемента, песка, воды (при отсутствии водопровода), добавок (при работе с добавками); приварены к сваям опорные кронштейны (упорные косынки с полками) с шагом, кратным шагу свай, но не менее трех по длине продольного пояса; уложены и приварены к полкам кронштейна нижние балки пояса; уложены на грунт направляющие для стартовой площадки, выпол
ненные из швеллера № 16; выполнены все мероприятия, обеспечивающие безопасность работ и нормальное санитарно-бытовое обслуживание работающих.
Работы по анкерному закреплению стен котлована осуществляет специализированное звено, укомплектованное рабочими, обученными по специальной программе, и состоящее из трех человек: два проходчика и один компрессорщик. Работа звена производится двумя стартовыми площадками с двумя пневмопробойниками.
Проходчики устанавливают стартовые площадки и пневмопробойники на них для устройства 1 и 2-го анкеров. Компрессорщик включает компрессор и подает сжатый воздух к 1-му пневмопробойнику, после чего производится его запуск. После окончания установки 1-го анкера проходчики с компрессорщиком приступают к устройству 3-го анкера и одновременно заканчивают устройство 2-го анкера. Натяжение и закрепление тяги анкеров производится звеном из двух человек по окончании выполнения всего объема работ и достижении раствором прочности не менее 20 МПа. В зависимости от марки раствора (М200, М250, МЗОО, М3 50, М400) время устройства замка ориентировочно можно принимать равным 28, 25, 17, 14 и 10 сут соответственно.
Устройство высоконесущих грунтовых анкеров. При строительстве комплекса Лефортовского автодорожного тоннеля в составе Третьего транспортного кольца в Москве значительный объем работ выполнялся открытым способом в глубоких (до 20 м) котлованах в условиях плотной городской застройки исторического района Лефортово [30].
Крепление котлованов осуществляли монолитной «стеной в грунте» с многоярусной (до 4 ярусов) системой грунтовых инъекционных, предварительно напряженных анкеров длиной 18—24 м с тягой из высокопрочных арматурных канатов (рис. 12.9).
Устройство ограждающей стены производил филиал французской фирмы «Солетанш Баши» — ЗАО «Солетаншстрой». В качестве несущего элемента анкерной тяги использовали высокопрочные арматурные семипроволочные канаты диаметром 15,7 мм по Евронормам EN 10138, обладающие следующими прочностными характеристиками: расчетное сопротивление растяжению 195 кН, гарантированное минимальное усилие разрыва — 285 кН; масса 1 м — 1,17 кг.
Рис. 12.9. Схема расположения высокопрочных грунтовых анкеров
Для анкеров 1-го яруса тягу формировали из четырех канатов, для других — из шести. В конструкцию закрепляемой части тяги входят также пластиковые сепараторы для создания зазора между канатами и стягивающие хомуты, устанавливаемые попеременно с шагом 1 м.
В соответствии с разработанным НИЦ ТМ ОАО «ЦНИИС» технологическим регламентом фирма «Солетаншстрой» проводила устройство анкеров в следующем порядке: подготовительные работы; проходка скважины и установка инъекционной манжетной
трубы; поинтервальное нагнетание цементного раствора в два этапа; установка анкера в сборе в заинъектированную скважину; выстойка анкера; монтаж узла закрепления; натяжение, испытание и закрепление анкера на конструкции ограждения.
Бурение скважин диаметром 114 и 140 мм осуществляли с помощью буровой установки ДСН 114 VB или НВМ-15 револьверного типа (снабженной кассетой со сменными буровыми штангами) вращательным способом с промывкой бентонитовым раствором. Для анкеров 3-го и 4-го ярусов, расположенных в зоне неустойчивых грунтов ниже уровня грунтовых вод, бурение вели под защитой обсадных труб, извлекаемых после заполнения скважины цементным раствором.
Сразу после окончания бурения бентонитовый раствор в скважинах замещали цементно-водным, подаваемым восходящим потоком, начиная от забоя скважины, через буровой став и коронку до излива из ее устья. Цементный раствор приготовляли из портландцемента марки 500 с В/Ц = 0,5 на площадке непосредственно перед подачей в скважину.
В заполненную цементным раствором скважину позвенно опускали стальную манжетную трубу, имевшую по длине зоны заделки с шагом 1 м выпускные отверстия, перекрытые резиновыми манжетами. На первом звене манжетной трубы устанавливали наконечник, облегчающий погружение и защищающий ее полость от попадания цементного раствора.
После схватывания обойменного цементного раствора в скважине (от 4 ч до 1 сут) начинался 1-й этап поинтервального нагнетания цементного раствора по направлению снизу вверх через выпускные отверстия манжетной трубы при помощи инвентарного опускного инъектора с двойным гидравлически раздуваемым пакером.
Через сутки поинтервальное нагнетание повторяли. При проведении нагнетания регулировали давление и фиксировали объем подачи раствора через каждое выпускное отверстие. В среднем расход раствора на одно выпускное отверстие (1м заделки) составлял: для первичного поинтервального нагнетания 60—65 л при среднем давлении 1,5 МПа; для вторичного нагнетания — соответственно 32—49 л и 2 МПа. Таким образом, при длине зоны заделки 12 м
производили 24 последовательные фазы поинтервального нагнетания, обеспечивающие прочное закрепление анкера в грунте. По окончании всех этапов поинтервального нагнетания в предварительно промытую и при необходимости дополнительно прочищенную буровым бурением манжетную трубу вставляли скомплектованный и освидетельствованный прядевый анкер, омоноличиваемый в ней цементным раствором.
Натяжение анкеров и их блокировку на ограждающей стене осуществляли не ранее, чем через 5—7 сут после завершения работ по нагнетанию раствора. Дату натяжения уточняли по результатам контрольных испытаний образцов нагнетаемого цементного раствора. С учетом промежуточных сроков выстойки между составляющими этапами нагнетания (до суток) и окончательной минимальной выдержкой перед натяжением анкера (5 сут) время на устройство одного анкера от начала бурения до момента натяжения составляло не менее 8 сут.
По результатам устройства анкерного крепления можно сделать выводы о том, что простая и высокопрочная конструкция анкера, а также технология многократного поинтервального нагнетания позволили достичь в условиях неустойчивых и водонасыщенных грунтов гарантированной несущей способности анкеров не менее 1150 кН, что делает их применение весьма перспективным при строительстве различного рода заглубленных сооружений.
Анкерное крепление является специфическим видом строительства, где система испытаний анкеров тесно увязана с производством работ и является обязательной частью технологического процесса. Система включает в себя три вида испытаний: пробные, контрольные и приемочные.
Пробные испытания проводят до начала основных работ для определения несущей способности по грунту, приемлемости анкеров выбранных типов, уточнения технологии их устройства (испытывают не менее 3 анкеров с последующей откопкой и исследованием).
Контрольные испытания проводят для определения фактической несущей способности и сравнения ее с расчетной (испытывают не менее 10 % от общего числа устанавливаемых анкеров по программе пробных испытаний без последующей откопки). По данным кон
трольных испытаний строят кривые «усилие—перемещение» для определения величины предельной нагрузки по грунту.
Приемочным испытаниям подвергается каждый установленный рабочий анкер для определения его пригодности к использованию в качестве элемента крепления.
Подводя итог изложенному, можно отметить, что анкерная крепь — эффективный и надежный способ крепления котлованов станций метрополитена, дающий значительную экономию металла по сравнению с крепью из расстрелов. Особенно эффективно ее применение в глубоких котлованах, требующих нескольких рядов крепей, где монтаж конструкции станции предусматривает трудоемкие работы по перестановке расстрелов, а также в условиях, где крепление расстрелами практически невозможно (широкие котлованы, порталы и т.д.).
12.3. Ограждающие стены из железобетонных и грунтоцементных свай
Практика показывает, что, несмотря на значительное снижение трудоемкости и сроков производства работ, метод «стена в грунте» в отдельных случаях оказывается неэффективным, так как приводит к неоправданному перерасходу цемента и стали, росту сметной стоимости строительства. К таким случаям следует отнести прежде всего возведение ограждающих и несущих «стен в грунте» в неглубоких котлованах, при малых объемах работ, отсутствии в зоне строительства плотной городской застройки.
Трудно оправдать применение данного способа также при возведении железобетонных стен в качестве ограждения котлована, когда работы ведутся практически в «чистом поле» или их выполнение комбинируется с традиционным свайным креплением во избежание значительного объема срезки грунта.
Необходимо учитывать и такие факторы, как проблематичность обеспечения водонепроницаемости несущих «стен в грунте» при эксплуатации сооружений и сложность пропуска инженерных сетей в период строительства, перекладка которых иногда невозможна.
Новый более экономичный по сравнению со «стеной в грунте» способ комбинированных свайных ограждающих стен впервые при
менен в Кингстоне (Великобритания). Суть способа, так же как и комбинированной «стены в грунте» (см. п. 11.4), — в использовании двояковогнутых железобетонных свай заводской готовности, устраиваемых в буровых скважинах под защитой глинистой суспензии. Они служат в качестве направляющих при разработке промежуточных буровых скважин для выполнения в последних грунтоцементных свай и создания таким образом сплошной ограждающей стены из железобетонных сборных и грунтоцементных свай. Основные стадии ее возведения приведены на рис. 12.10.
Стадия «А». После устройства форшахты под защитой глинистой суспензии бурится скважина для установки направляющей сваи на глубину, обеспечивающую ее надежное расчетное защемление в грунте ниже основания котлована. При небольшой глубине котлована и двухъярусном анкерном креплении ограждающей свайной стены высоту сечения Н сборной железобетонной сваи достаточно принять равной 600 мм, а предельное отклонение оси скважины А < 80—100 мм. Тогда требуемый диаметр ZH (см. рис. 12.3, г) составит 1000 мм, а шаг направляющих свай — 1300 мм.
Стадия «В». С помощью бетонолитной трубы методом ВПТ на дно скважины подается расчетное количество мелкозернистого бетона класса В 25 с пластифицирующими добавками. Над устьем скважины на форшахте закрепляется инвентарный, выверенный в плане направляющий кондуктор. Затем монтируется направляющая двояковогнутая железобетонная свая, радиус кривизны которой принимается равным сумме радиуса промежуточной буровой скважины и технологического допуска (зазора). «Голова» сваи снабжена двумя монтажными отверстиями. Первое служит для шарнирной ее подвески при опускании в устье скважины грузоподъемным оборудованием, второе позволяет закрепить шарнирно «голову» на форшахте ниже направляющего кондуктора. Класс бетона свай по прочности на сжатие — В 30.
Стадия «В1». В процессе монтажа направляющая свая вытесняет мелкозернистый бетон до уровня будущего дна котлована. После набора бетоном требуемой прочности образуется «корень» сваи, обеспечивающий надежное защемление в грунте. Шарнирное закрепление ее «головы» на форшахте, четко выверенное положение направляющего кондуктора и, главное, сила
403
Рис. 12.10. Основные стадии возведения ограждающих стен из железобетонных и грунтоцементных свай: 1 — инвентарная металлическая форшахта; 2 — буровая скважина; 3 — глинистая суспензия; 4 — мелкозернистый бетон с пластифицирующими добавками; 5 — инвентарный направляющий кондуктор; 6 — шарнирная монтажная подвеска; 7 — направляющая железобетонная свая; 8 — монтажное отверстие шарнирного закрепления на форшахте; 9 — смесь песка (мелкого гравия) и вяжущего раствора; 10 — штанга установки роторного бурения; 11 — бетонолитная труба; 12 — грунтоцементная смесь; 13 — грунтоцементная свая
тяжести собственно сваи обеспечивают строго вертикальное проектное положение.
Монтаж направляющих железобетонных свай выполняется в два этапа. Вначале бурят скважины с удвоенным интервалом (стадия «В 1а») с целью обеспечения безопасности ведения работ и гарантии высокого качества. Пространство между двояковогнутой направляющей сваей и стенками скважины выше «корня» заполняется смесью из мелкого гравия или песка с вяжущим раствором, например, бентонито-цементным (цементным). Возможно применение самотвердеющей суспензии малой прочности с невысоким расходом цемента.
Стадия «В2». Бурятся промежуточные скважины под направляющие сваи, обеспечивая заданный шаг последних в 1300 мм. Закрепление их производится аналогично предыдущей стадии.
Стадия «С». В промежутках между направляющими сваями также в два этапа, тем же оборудованием и того же диаметра бурятся скважины под грунтоцементные сваи. При этом в вогнутые поверхности вертикальных железобетонных свай направляют буровую штангу.
Скважина разрабатывается под глинистой суспензией до отметки дна котлована. Работы начинаются через 2—3 сут после закрепления направляющих.
Стадия «D». Через бетонолитную трубу в скважину подается грунтоцементная смесь, вытесняющая глинистую суспензию.
Стадия «Е». Завершается устройство грунтоцементных свай с удвоенным интервалом (2600 мм), что соответствует этапу «Е1», затем — промежуточных (этап «Е2»),
Ограждающая стена подземного сооружения, возведенная этим способом, характеризуется чередованием сборных железобетонных двояковогнутых свай, защемленных «корнем» в грунте и удерживаемых буроинъекционными грунтовыми анкерами, и грунтоцементных свай, низ которых находится на уровне дна котлована (см. рис. 11.9, а). В данном случае последние служат своего рода затяжкой между железобетонными сваями, передавая на них нагрузку.
Применение железобетонных свай с наклонными отверстиями для пропуска анкеров и закладными деталями заводской готов
ности позволяет снизить трудозатраты, упростить натяжения и закрепления анкеров.
Более эффективным и экономичным вариантом предлагаемой технологии является устройство ограждающей стены, не требующей разработки скважин под глинистой суспензией и извлечения грунта для выполнения свай (рис. 12.11), с помощью специального бурового оборудования шнекового типа (грунт между направляющими железобетонными сваями шнек не извлекает, а лишь разрыхляет).
Через инъекторную трубку в полости шнека и отверстия в его основании по мере заглубления подается под давлением цементное молоко заданной концентрации. Вращающиеся лопасти шнека перемешивают грунт с цементным молоком, образуя смесь первого этапа цементации. Он завершается, когда шнек
Рис. 12.11. Устройство ограждающей стены с помощью бурового оборудова ния шнекового типа:
1 отверстие в свае для пропуска анке ра; 2 отверстие шарнирной монтажной подвески; 3 грунтоцементная смесь первого этапа цементации; 4 то же вто рого; 5 отверстие в основании шнека
заглубится до уровня верха «корня» направляющей сваи. Последовательность других операций по выполнению ограждающей стены аналогична описанной. Сокращения расхода цемента на устройство ограждающей свайной стены можно добиться, заменив
цементацию грунта химическим закреплением, к компонентам которого предъявляются требования надежности закрепления грунта и отсутствия агрессивности по отношению к бетону нормальной плотности и арматуре.
Сопоставление показателей ограждающей стены чередующихся железобетонных и грунтоцементных свай с показателями монолитной железобетонной «стены в грунте» доказывает высокую эффективность предлагаемого способа.
12.4. Нагельное крепление стен котлованов
Опыт строительства метрополитенов показывает, что при глубине котлованов до 7—8 м «стена в грунте» и монолитные железобетонные сваи, применяемые в качестве ограждающих конструкций, существенных экономических преимуществ не дают, в основном, по причине большого расхода бетона и арматуры.
В этих случаях более эффективным считают ограждение бортов котлована системой арматурных стержней. Метод основан на повышении несущей способности армированного массива грунта вследствие возникновения внутреннего поля напряжений и увеличения сцепления. В зависимости от конструктивных особенностей сооружения армированный грунт создают различными технологическими способами [95].
Так, при отсыпке высоких насыпей или устройстве подпорных стен в послойно отсыпаемом грунте размещают горизонтально металлические полосы, способные выдержать значительные усилия. Вид арматуры может быть разным (полоски, проволока, сетка и т.п.), а материал — от металла и пластмасс до синтетических тканей. На наружной поверхности армогрунтовой конструкции устраивают тонкую облицовочную оболочку из плит сборного железобетона, монолитного бетона или набрызгбетона.
Для укрепления крутых склонов естественных массивов или откосов котлованов в грунт вводят стержни из арматурной стали или других материалов. Таким образом, часть малосвязного грунта образует квазимонолитный блок — стенку, которая выдерживает нагрузку не только собственного веса, но и внешних и даже динамических воздействий. Длина стержней обычно составляет 0,5—0,6 Н, где Н — высота склона или глубина котлована. Кроме стержней, в рассматриваемой конструкции так же, как в армогрунте, имеется внешняя облицовка из набрызгбетона, нанесенного по металлической или синтетической сетке. Она предназначена для защиты по
верхности откоса от эрозии и местных вывалов грунта, находящегося между армирующими элементами.
Работы по устройству стержневой крепи котлованов выполняют в следующем порядке [111, рис. 16.10]. По мере послойной (высотой по 0,8—1,5 м) выемки грунта в массив забивают или вдавливают арматурные стержни диаметром 18—28 мм, причем в более плотных грунтах — в ранее пробуренные скважины размера меньшего, чем стержень. Они могут быть установлены и в скважины большего диаметра, но предварительно заполненные цементным раствором. В отличие от стержневой, такую крепь называют нагельной. На выступающие концы стержней навешивают стальную сетку и наносят слой торкрета или набрызгбетона толщиной 50—150 мм [95].
Несмотря на то, что первые натурные эксперименты и успешные масштабные опытные работы были проведены на Мосметрострое, наибольшее применение этот вид крепления впервые получил в Ташкенте, где при помощи нагелей полностью закреплены котлованы станций «Тинчлик», «Лахути», «ВДНХ». Широкому внедрению нагельного крепления здесь способствовали благоприятные для этого вида крепи грунтовые условия, представленные в основном устойчивыми сухими (или предварительно осушенными) суглинками, и острый дефицит металлопроката и пиломатериалов для ограждающей конструкции.
Устойчивые в сухом состоянии суглинки позволяли вскрывать ярусы высотой до 3 м, что значительно увеличивало темп работы. В частности, для возведения станционного комплекса «Лахути» требовалось разработать и закрепить в непосредственной близости от жилой застройки котлован глубиной до 18 м и шириной 20 м в грунтах, представленных слоями насыпи из суглинка, песка и уплотненного галечника.
Для обоснования и проверки расчетных параметров крепи на станции «Лахути» провели несколько серий пробных испытаний нагелей и анкеров. В результате такой пробной проработки был принят вариант крутонаклонного откоса, укрепленного нагелями с набрызгбетонным покрытием (рис. 12.12).
В пределах котлована оборотного съезда станции «Лахути» откос под углом 80° предусмотрен на всю его высоту, составляющую 18 м (рис. 12.12, а), а на платформенной части запроектирован и устроен откос ломаного очертания с наклоном к горизонту 80° в суглинке и пологим склоном в галечнике (рис. 12.12, б). Нагели устанавливали в скважинах на цементном растворе в шахматном порядке с шагом 1,3 м (платформенная часть) и 1,1 м
Рис. 12.12. Принятые схемы крепле ния котлована станции «Лахути» (Ташкент):
а оборотный съезд; б платфор менная часть; 1 нагели из армату ры класса АШ 0 25 мм; 2 сетка до рожная 100x100; 3 набрызгбетон ное покрытие толщиной б 8 см
(оборотный съезд) под углом 15°. Длина нагелей 10,5 м. Арматура — класса АШ диаметром 25 и 28 мм. Толщина набрызгбетонного покрытия по арматурной сетке составляла 80 мм.
Испытания статической нагрузкой подтвердили правильность теоретических расчетов и показали, что конструкция крепи устойчива, обладает малой деформативностью и может быть использована для крепления котлована ст. «Лахути». Общий экономический эффект на этой станции от применения нагельного крепления взамен свайного составил около 1 млн руб. (в ценах 1991 г.). Эффект достигнут за счет сокращения трудовых (бурение скважин под сваи и их устройство) и материальных (металлопрокат, пиломатериалы и др.) затрат, сокращения срока строительства.
Стержневая крепь применялась также при строительстве станций Новосибирского метрополитена. На опытном участке котлована глубиной
до 8 м ст. «Речной вокзал» арматурные стержни вводили в грунт (супеси естественной влажности) пневмомеханизмом ПУМ-3 конструкции ИГД СО АН СССР. Набрызгбетонное покрытие толщиной 50 мм наносили при помощи машины СБ-67 (рис. 12.13).
Полученные результаты испытаний и наблюдений подтвердили правильность теоретических расчетов и показали, что конструкция нагельной крепи устойчива, обладает малой деформативностью и в соответствующих условиях может применяться при строительстве транспортных и других объектов.
При этом следует иметь в виду, что область применения стержневой крепи котлованов ограничивается грунтами, обеспечивающими в естественном состоянии устойчивость откоса высотой, равной расчетному шагу стержней по вертикали (0,5—0,8 м). При разработке каждого последующего слоя грунта он должен сохранять устойчивость в течение общего времени, необходимого на установку стержней, навешивание сетки и нанесение набрызгбетона. Обеспечение этих условий должно быть выявлено в процессе устройства первых двух заходок и служить критерием целесообразности продолжения работ. Малоэффективно стержневое крепление в мягких пластичных глинах, поскольку из-за незначительного внутреннего трения и сцепления с ним таких грунтов потребуется высокая плотность размещения и значительная длина стержней.
Первый ряд стержней следует располагать не ниже 0,3—0,5 м от выровненной и замощенной поверхности земли. В последующих рядах стержни следует располагать в шахматном порядке. Основные параметры такой крепи при заданных свойствах грунта, конечной глубине котлована и нагрузках на его борту (длина арматурных стержней — L, диаметр — J, шаг установки — Н) определяются расчетами с использованием соответствующих графиков (рис. 12.14).
В настоящее время техническая целесообразность и экономическая эффективность применения стержневой крепи при устройстве котлованов с крутыми откосами и глубиной 6—8 м не вызывают сомнений. При этом устраняется необходимость в применении свайных и других ограждающих стенок, анкеров и распорок, загромождающих котлован, что снижает стоимость и металлоемкость крепи, позволяет максимально использовать технику при
1
Рис. 12.13. Механизированная технология нагельного крепления котлована: I разработка грунта; II погружение нагелей; III установка армокар касов и фиксирующих пластин; IV набрызгбетонирование; 1 экскава тор; 2 бульдозер; 3 бетон шприц машина; 4 автомиксер; 5 установка со сменными рабочими органами для погружения нагелей и набрызгбетониро вания; 6 сменный рабочий орган для погружения нагелей; 7 сменный рабочий орган для набрызгбетонирования; 8 нагель
Рис. 12.14. Основные параметры стержневой крепи:
а зависимость высоты устойчивости откоса от длины армирующих стерж ней; б зависимость величины разрушающей нагрузки на борту котлована от шага установки стержней; 1 расчетная кривая; 2 экспериментальная кривая
разработке грунта и монтаже постоянной конструкции. Такой способ крепления создает качественно новые условия организации работ, характерные для устройства котлованов с естественными откосами, которые невозможно раскрыть в условиях плотной городской застройки.
Соответствующее оборудование для производства работ обладает сравнительно небольшими габаритами, мобильно и бесшумно, что является большим преимуществом в условиях города, а новая технология позволяет легко приспособиться к изменяющимся по глубине грунтовым характеристикам, не заменяя оборудования и не нарушая схему организации работ. Усиление или ослабление крепи достигается корректировкой степени плотности установки стержней, их диаметра и длины, а также толщины набрызгбетонно-го покрытия.
За счет того, что грунт армируют непосредственно за обнажением плоскостей откоса, значительно сокращаются подвижки грунта и смещения поверхности вблизи котлована. Это особенно важно в районах с плотной городской застройкой.
12.5. Экранирующие анкерные сваи
Прогрессивный метод крепления вертикальных грунтовых стен и крутонаклонных откосов котлованов с помощью нагелей, несмотря на очевидные достоинства, имеет ряд существенных недостатков. Так, нагрузку 0,3—0,6 МПа массив грунта может воспринять только после крепления откоса на всю высоту. Поэтому использовать перечисленные достоинства нагельного крепления можно только при разработке открытых котлованов на достаточном удалении от существующих зданий. В стесненных условиях его применение неосуществимо, так как поярусное обнажение предварительно не закрепленного откоса создает опасность потери откосом устойчивости под действием внешней нагрузки. Кроме того, способ нагельного крепления котлована недостаточно технологичен, так как требует поярусного, последовательного выполнения всех работ.
С целью достижения наибольшей эффективности, сокращения сроков строительства, уменьшения металлоемкости конструкций и повышения технологичности в определенных условиях может быть применено ограждение котлована экранирующим свайным рядом.
Экранирующие анкерные сваи представляют собой конструкцию, выполняющую двойную функцию, а именно обеспечение устойчивости ограждения на сдвиг и опрокидывание и снижение давления грунта на лицевую стенку ограждения.
Предлагаемое ограждение выполняется в следующей технологической последовательности. По линии раздела котлована с расчетным шагом на заданную глубину бурят через одну вертикальные и наклонные скважины (рис. 12.15, а). В скважины устанавливают армирующие элементы и заливают цементный раствор (рис. 12.15, б). Выпуски арматуры бетонируют монолитным железобетонным ра-стверком (рис. 12.15, в), вскрывают котлован и одновременно с этим закрепляют обнаженную поверхность между вертикальными сваями (рис. 12.15, г).
Преимущества предлагаемого метода крепления котлована: возможность вести основные работы по ограждению на земной поверхности перед раскрытием котлована широким фронтом с использованием в максимальном количестве отечественного бурового обо-
Рис. 12.15. Технологическая последовательность операций по устройству ограждения котлована с экранирующим анкерным свайным рядом: а...г операции
рудования; сокращение до минимума объема работ по закреплению обнаженной поверхности в котловане; возможность вести закрепление параллельно с разработкой грунта в котловане; исключение возможности обрушения откосов при вскрытии котлована.
В зависимости от степени стесненности строительной площадки и от гидрогеологических условий возможны различные варианты ограждения (рис. 12.16). Наиболее просто решается вопрос ограждения в сухих грунтах, когда горизонт подземных вод находится ниже отметки дна котлована (рис. 12.16, а).
В стесненных условиях городской застройки при высоком горизонте подземных вод и близком от поверхности водоупоре возможно выполнение ограждения по схеме, показанной на рис. 12.16, б, В этом случае вертикальный свайный ряд можно устраивать с разрывом, как для сухих грунтов (рис. 12.16, г), но при условии устройства между лицевой стенкой и экранирующим анкерным свайным рядом противофильтрационной завесы (ПФЗ), например, гидроструй-ной технологией. При решении этой задачи можно обойтись и без ПФЗ, но тогда лицевую стенку необходимо делать герметичной по одной из предлагаемых схем (рис. 12.16, д). Герметичность лицевой стенки достигается тем, что сваи второго ряда (7) устраивают после свай первого ряда (2) с применением расширяющихся бетонов (растворов). При этом осевая линия свай второго ряда несколько смещается относительно осевой линии свай первого ряда.
сваями (а, б, в); конструкции лицевой стенки для сухих грунтов (г); то же при высоком горизонте подземных вод (<Э):
1 железобетонный ростверк; 2 вертикальные сваи; 3 наклонные сваи;
4 лицевая стенка; 5 противофильтрационная завеса; 6 торкрет по сет
ке; 7 сваи, выполненные с применением расширяющихся растворов; 8
железобетонные панели; 9 фильтрующая прослойка; 10 грунт
Благодаря этому при расширении бетона в скважинах второго ряда, устойчивость стенок которых обеспечивается за счет глинистого раствора, вокруг каждой скважины образуется зона уплотнения грунта с радиусом, который зависит от диаметра скважины, коэффициента объемного расширения бетона и коэффициента пористости грунта.
В процессе реакции расширения, которая заканчивается на седьмые сутки после заливки бетона в скважину, свободная вода из глинистой корки и закольматированного грунта на стенках скважины
переходит в химически связанную воду расширяющегося материала, при этом контактный слой уплотняется медленно нарастающим давлением расширения. В результате с тыльной грани стенки образуется экран из уплотненного грунта, а на стыке свай первого и второго ряда — прослойка осушенного закольматированного грунта.
С помощью разработанной технологии можно комплексно решать вопрос строительства подземных сооружений в непосредственной близости от существующих зданий и сооружений, одновременно усиливая их фундаменты и основания. В этом случае конструктивные элементы ограждения работают как на вертикальную нагрузку от рядом расположенного здания, так и на горизонтальную от активного давления грунта.
12.6. Нетрадиционные виды ограждающих конструкций глубоких котлованов
Возрастание объемов подземного строительства в крупнейших городах и мегаполисах обусловливает необходимость дальнейшего совершенствования традиционных и изыскания новых эффективных конструктивно-технологических решений.
Наряду с традиционными методами усиления ограждающих конструкций глубоких котлованов существуют альтернативные решения, которые могут быть рекомендованы для внедрения в практику отечественного подземного градостроительства.
Опыт показывает, что при устройстве буровых анкеров в мелкозернистых и пылеватых песчаных грунтах ниже уровня грунтовых вод бурение сопровождается интенсивным выносом из скважины водонасыщенной грунтовой массы, приводящим к осадкам дневной поверхности и деформациям близлежащих зданий и сооружений. В этих случаях необходимо применение метода бурения ударно-вращательным способом с теряемым наконечником и специальных устройств, запирающих устье скважины от выноса воды с песком (превенторы, расширяющиеся пакеры).
Начало новому направлению в технологии строительных конструкций в грунте было положено в 1983 г. посредством патентов ФРГ № Р 3400182 и Р 3828335, в которых предлагались следующие принципы:
• использование полых труб в качестве тяги анкера;
• формирование на поверхности анкерных труб резьбовых ребер (аналогичных арматурной стали с винтовым профилем), позволяющих осуществлять их соединение и подкручивание в грунте;
• применение анкерных труб тяги и дешевых одноразовых режущих коронок в качестве бурового инструмента;
• проведение инъекции закрепляющего цементного раствора через составные полые трубы анкерной тяги.
Изложенные принципы реализованы в системе, получившей название анкерные сваи «Титан» [46].
Анкерные сваи «Титан» состоят из комплекта армирующих штанг (труб) с нанесенной на них резьбой (рис. 12.17), являющихся одновременно расходными буровыми штангами, анкерными тягами, а также инъекционными трубками. В результате нагнетания цементного раствора образуется тело инъекции, которое передает по боковой поверхности в грунт усилия растяжения (или сжатия) армирующей штанги. Образованное из затвердевшего цементного вяжущего тело обеспечивает радиальное напряжение в грунте, устойчивость изгибу и антикоррозийную защиту. За счет распорок перед каждой соединительной муфтой создается равномерное покрытие твердеющим цементным вяжущим толщиной не менее 20 мм.
TITAN 78/103
Рис. 12.17. Конструкция армирующих штанг (труб)
Труба с резьбой при одном и том же качестве стали и одинаковой площади сечения имеет по сравнению с полнообъемным стержнем более высокую несущую способность на изгиб и трение по цементному камню. Некоторые типы трубчатых штанг для свай «Титан» и их характеристики приведены в табл. 12.1.
Таблица 12.1
Характеристики трубчатых штанг для свай «Титан»
Характеристики Тип штанги
30/16 40/16 52/26 73/53 103/78
Внешний диаметр, мм 30 40 52 73 103
Расчетный диаметр, мм 27,2 37,1 48,8 69,9 100,4
Внутренний диаметр, мм 16 16 26 53 78
Разрушающая нагрузка, кН 220 660 929 1160 1950
Масса метра штанги, кг 3,0 6,9 10,5 12,8 24,7
Наименьшее сечение, мм2 382 879 1337 1631 3146
Усилие, соответствующее пре делу текучести, кН 180 525 730 910 1570
Момент инерции, см4 2,37 8,98 25,6 78,5 317
Момент сопротивления, см3 1,79 4,84 10,5 22,4 63,2
Для каждого вида грунта предназначены соответствующие буровые коронки. Также могут быть использованы буровые коронки с боковым отверстием, при помощи которого осуществляется управляемая резка грунта основания под инъектируемый и одновременно вдавливаемый в грунт (за счет вращения буровой штанги) цементный раствор.
Анкерные сваи «Титан» забуриваются без обсадных труб, одним технологическим ходом, совмещающим ударно-вращательное бурение с подачей цементного вяжущего в качестве крепящей жидкости, причем делается это практически без вибрации, а уровень шума не превышает предельно допустимого. Эти сваи требуют меньших диаметров скважин и габаритов буровых установок, меньшей установленной мощности оборудования на стройплощадке по сравнению с традиционными методами. Вследствие того, что армирующая штанга (труба) сочетает в себе функции инъекционной трубки, отпадает необходимость в рабочих процессах, связанных с выемкой обсадной трубы из пробуренной скважины и вводом в нее арматурных стержней, что позволяет значительно повысить производительность. За счет бурения с помывкой цементным раствором
и использования давления до 2 МПа происходит дополнительное укрепление слоев грунта, непосредственно прилегающих к телу инъекции (рис. 12.18).
Несущая способность (Ф) по грунту для анкерных свай «Титан» определяется длиной свай (/), диаметром впрессованного цементного тела (D) и значением предельного сопротивления по его боковой поверхности (qs) (табл. 12.2). Диаметр впрессованного цементного тела зависит от диаметра буровой коронки:
D > 2 х d — для среднего и крупного гравия;
D > 1,5 х d — для песка с включениями гравия;
D > 1,4 х d — для связных грунтов.
min толщина покрытия цементным камнем >20
Рис. 12.18. Схема установки в грунте анкерной сваи «Титан»:
1 фиксирующая гайка; 2 опорная пластина; 3 защитная трубка из ПВХ; 4 зона первичной инъек ции грунта; 5 грунт; 6 впрессованное цементное тело вторичной инъекции; 7 ребристая штанга ан кера; 8 внутренний канал штанги; 9 соединитель ная муфта; 10 распорка для перекрытия цементного камня; 11 буровая коронка; 12 инъекционное от верстие в буровой коронке; 13 штанга; 14 анкерная свая «Титан»; 15 тело вторичной инъекции; 16 попе речное давление; d диаметр буровой коронки;
D примерный диаметр впрессованного тела
Таблица 12.2
Предельные сопротивления по грунту анкерных свай «Титан», КПа
Тип грунта Сваи, работающие на вдавливание Сваи, работающие на растяжение
Средний и крупный гравий 200 100
Песок с включением гравия 150 80
Связный грунт 100 50
Приведенные в табл. 12.2 значения предельных сопротивлений, наряду с коэффициентами запаса, принимаемыми в зависимости от типа загружения в интервале Кн = 1,5.. .3 в соответствии с DIN 4128 «Инъекционные сваи малого диаметра», учитываются при расчете несущей способности анкерных свай «Титан»:
TtDlq
По сравнению с обычными сваями и анкерами, анкерные сваи «Титан» особенно мало деформируются и могут применяться в весьма широком диапазоне (рис. 12.19).
Интересные конструктивные решения анкерных свай, устраиваемых с поверхности земли и закрепляемых на развитой обвязочной балке ограждающей конструкции, предложены проф. Л.В. Маковским [42].
Анкерные сваи образуют в данном случае вместе с ограждающей конструкцией рамную систему с консольным ригелем (рис. 12.20), обладающую высокой жесткостью и несущей способностью. В связи с этим анкерные сваи могут располагаться с большим шагом, чем грунтовые анкеры. В отличие от последних анкерные сваи не нарушают сплошность и водонепроницаемость ограждающе-несущих «стен в грунте».
Повышение устойчивости ограждений глубоких котлованов может быть достигнуто также устройством параллельных (сдвоенных) «стен в грунте». При этом дополнительные стены заглубляют ниже призмы обрушения и связывают с основными стенами лотковыми плитами и плитами перекрытия.
б
Рис. 12.19. Область применения анкерных свай «Титан»:
а укрепление подпорных стен и ограждений строительных котлованов; б укрепление стен и оползневых склонов в качестве нагельных элементов; в укрепление конструкций; г предохранение от всплытия; д укрепление фундаментов; е работа на выдергивающую нагрузку
2
Рис. 12.20. Схема крепления ограждающих конструкций анкерными сваями: 1 анкерная свая; 2 консольный ригель; 3 ограждающая конструкция;
4 дно котлована; 5 линия скольжения
Таким образом, по бокам подземного сооружения создаются дополнительные выработки, которые на стадии эксплуатации могут использоваться для пропуска пешеходов, устройства вентиляционных каналов, прокладки инженерных коммуникаций, размещения технологического оборудования и др.
Устройство таких ограждений осуществляется в такой технологической последовательности (рис. 12.21). На I этапе с обеих сторон подземного сооружения возводят основные и дополнительные «стены в грунте». После этого разрабатывают грунт между стенами до отметки низа лотка вспомогательных выработок (II этап). На III этапе возводят лоток и перекрытие боковых выработок, а далее углубляют до проектной отметки основной котлован между внутренними стенами (IV этап) и возводят конструкции основного тоннеля (V и VI этапы).
Такая система крепления котлована может оказаться особенно эффективной при строительстве совмещенных подземных сооружений (например, транспортный и пешеходный тоннели, транспортный и коммуникационный тоннели, подземная автостоянка и участок пешеходного тоннеля и др.).
При значительной глубине котлована и повышенном боковом давлении грунта весьма эффективны контрфорсные «стены в грунте» ребристой конструкции, что требует применения специального оборудования и технологии работ. В этих случаях необходимо разработать траншею с чередующимися местными уширениями для устройства ребер жесткости, объединенных с основной конструк-
V этап
VI этап
Рис. 12.21. Последовательность возведения ограждений из двойных «стен в грунте»: 1 дополнительная «стена в грунте»; 2 основная «стена в грунте»; 3 вспо могательная выработка; 4 дно котлована первого яруса; 5 линия сколь жения; 6 перекрытие вспомогательной выработки; 7 лоток вспомогатель ной выработки; 8 дно котлована второго яруса; 9 конструкция основного подземного сооружения; 10 обратная засыпка
цией «стены в грунте». Для этого могут быть использованы различные способы разработки траншеи, основанные на применении трехчелюстного грейфера, гидрофрезы или двухчелюстного грейфера в сочетании с буровой установкой.
Контрфорсные «стены в грунте» могут быть выполнены из монолитного, сборного и сборно-монолитного железобетона. В первом случае в каждую захватку траншеи опускают Т-образные арматур
ные каркасы, а затем осуществляют бетонирование (рис. 12.22, а). Возможно опускание в траншею сборных железобетонных элементов таврового сечения без объединения между собой (рис. 12.22, б) или с омоноличиванием вертикальных стыков (рис. 12.22, в).
Вторая технология предусматривает разработку траншей гидрофрезой — буровой машиной, состоящей из стального корпуса с направляющими, гидромоторами и реверсной системой циркуляции глинистого раствора.
Французской фирмой «Солетанш» разработано стандартное оборудование гидрофрез для устройства стен различной глубины (до 125 м) и ширины (0,63; 0,8; 1,0; 1,2; 1,5 м) при длине разработки 2,4 м [15, ч.1, п.3.5].
Гидрофрезу применяли для устройства траншейных стен ряда подземных и гидротехнических сооружений во Франции, Бельгии, Англии, Австралии, Венгрии, США и других странах.
Рис. 12.22. Контрфорсные «стены в грунте» из монолитного (я), сборного (б) и сборно монолитного (в) железобетона:
1 контур траншеи; 2 арматурные каркасы; 3 монолитный железобе тон; 4 сборный железобетон; 5 цементно песчаный раствор;
6 участок омоноличивания
В частности, с использованием гидрофрезы в 1987 г. были возведены стены монтажной щитовой камеры в Сангатт (Франция) при строительстве подводного тоннеля под проливом Ла-Манш. Камера в виде колодца диаметром 58 м и глубиной 21 м была ограждена траншейными стенами толщиной 0,6 м, глубиной до 60 м.
Гидрофрезу германской фирмы «Бауэр» применили для устройства «стен в грунте» при строительстве в Москве подземной автостоянки на пл. Революции и ограждения монтажной щитовой камеры Лефортовского автодорожного тоннеля.
Предлагаемая технология работ по возведению траншейных контрфорсных стен с применением гидрофрезы показана на рис. 12.23, а.
На I этапе гидрофрезой разрабатывают продольные захватки траншеи первой очереди длиной около 6 м за три прохода, а на II этапе — поперечные захватки за один проход гидрофрезы.
После того как участки траншеи с выступами для ребер жесткости разработаны, в них опускают арматурные каркасы (III этап) и бетонируют стены (IV этап). Аналогичным образом разрабатывают и возводят промежуточные участки между ранее возведенными стенами.
Третья технология устройства контрфорсных «стен в грунте» предусматривает разработку продольных захваток траншей грейферным оборудованием с последующим разбуриванием скважин диаметром 600—1000 мм буровым агрегатом для образования ребер жесткости полу цилиндрического очертания.
Технологическая последовательность производства работ, предполагающая разработку прямых участков траншеи (I этап), бурение скважин (II этап), опускание арматурных каркасов (III этап) и бетонирование стен (IV этап) вначале в основных, а затем в промежуточных захватках показана на рис. 12.23, б.
Для бурения скважин под глинистым раствором можно использовать стандартное отечественное оборудование со шнековым буром или роторной желонкой (СО-2, СО-1200, МБС-1,7, МСО-1 и др.) или буровые станки зарубежных фирм «Баде» и «Зальгиттер» (Германия), «Беното» (Франция), «BSP», «Мак-Алпайн» (Англия), «Со-ильмек» (Италия), «Като» (Япония) и др.
Выбор той или иной технологии возведения контрфорсных «стен в грунте» зависит от степени разрабатываемое™ грунтов, глубины траншеи и наличия у подрядчика специализированного оборудования.
Рис. 12.23. Последовательность возведения контрфорсных «стен в грунте»:
а — с применением гидрофрезы: 1 — контур траншеи; 2 — глинистый раствор; 3 — арматурные каркасы;
4 — монолитный железобетон; б — с применением плоского грейфера и бурового станка: 1 — контур траншеи;
2 — глинистый раствор; 3 — буровая скважина; 4 — арматурный каркас; 5 — монолитный железобетон
Контрфорсные «стены в грунте» могут входить в состав постоянной конструкции подземного сооружения, воспринимая не только значительное горизонтальное давление грунта, но и вертикальные нагрузки от массы зданий, верхнего и промежуточных перекрытий подземного сооружения.
Применение в городском подземном строительстве новых видов ограждений котлованов с использованием анкерных свай, двойных и контрфорсных «стен в грунте», обладающих повышенной несущей способностью и жесткостью, позволит во многих случаях отказаться от трудоемких в возведении и дорогостоящих усиливающих элементов и тем самым упростить и ускорить возведение подземного сооружения.
Контрольные вопросы к главе 12
1. По каким признакам классифицируют современные методы крепления стен котлованов?
2. Дайте краткую характеристику ограждающих конструкций с дополнительным опорным креплением.
3. На какие группы делятся свайные стены?
4. Какие анкеры применяют для крепления стен котлованов в метростроении?
5. В чем состоят особенности устройства анкерной крепи с помощью пневмопробойников?
6. Каковы технические устройства высоконесущих грунтовых анкеров?
7. На чем основан метод нагельного крепления стен котлованов?
8. В чем заключаются преимущества экранирующих анкерных свай по сравнению с другими видами ограждающих конструкций?
9. Какие нетрадиционные виды ограждающих конструкций применяются для крепления глубоких котлованов?
Глава 13. СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПОЛУЗАКРЫТЫМ СПОСОБОМ
13.1. Зарубежный опыт строительства
В последние годы на большинстве метрополитенов мира строят линии мелкого заложения с проходкой перегонных тоннелей закрытым способом и возведением станционных комплексов в открытых котлованах.
Несмотря на кажущуюся простоту традиционной технологии строительства, она обладает существенными недостатками. При использовании для проходки перегонных тоннелей механизированных щитовых комплексов возникает необходимость их периодического монтажа на каждой станции вследствие возведения последних в открытых котлованах. Это не только сдерживает темпы строительства всей пусковой линии метрополитена, но и осложняет жизнь города. Особо трудоемкими и малопроизводительными являются работы по разработке глубоких котлованов, требующих применения многоярусного крепления их бортов. В условиях ограниченности парка техники сроки разработки и крепления котлованов могут достигать двух лет.
Схема параллельной организации работ, когда на пусковой линии одновременно сооружают несколько станций, требует больших единовременных материальных и трудовых ресурсов, осложняет работу наземного транспорта, так как в этом случае узлы важнейших магистралей города перекрываются одновременно на длительный период. В этом случае при проведении строительно-монтажных работ на обширном пространстве (10—12 км) необходимы громоздкие строительные структуры.
Отсутствие задела на новом объекте к моменту завершения работ на предыдущем, сложности организации непрерывного и равномерного строительного производства, где оперативно решались бы вопросы о соотношении подготовительных, основных и заключительных работ на различных участках строительства, послужили поводом к поиску более эффективных технологий строительства линии метрополитена мелкого заложения.
За основу был принят так называемый полузакрытый («кернтнен-ский») способ производства работ, получивший свое название в честь города Кернтнена (Австрия), где он был применен впервые на строительстве автодорожного тоннеля на трассе Вена—Триест. Суть способа состоит в том, что вначале на участке длиной 50—100 м в котловане возводят сводчатое или плоское перекрытие, опираемое на грунт. После его обратной засыпки и под защитой последнего со стороны портала или забойного котлована по технологии нового австрийского способа осуществляют проходку и крепление выработки (рис. 13.1).
Это значительно повышает безопасность ведения работ, исключает сдвижения и деформации грунтового массива и дневной поверхности. Нарушения последней в результате вскрытия котлована непродолжительны.
Полузакрытый способ наиболее эффективен и экономичен в по-лускальных и мягких грунтах средней и слабой устойчивости при глубине заложения тоннеля от 2 до 12 м. Причем с ее увеличением (в этих пределах) стоимость строительства снижается примерно на 25 % (рис. 13.2). При глубине заложения менее 2 м дешевле оказывается открытый способ, а более 12 м — горный.
При глубине заложения верха конструкции тоннеля свыше 3 м и значительных нагрузках устраивают сводчатые перекрытия переменной жесткости с усиленными пятами. Свод бетонируют на грунте либо на опалубке. В первом случае котлован вначале разрабатывают до шелыги свода, а затем профилируют в соответствии с очертанием последнего. Такую технологию применяют в достаточно прочных и плотных грунтах, способных воспринимать давление от сво-
Рис. 13.1. Этапы сооружения тоннеля полузакрытым способом:
/, 3, 4, 5 последовательность разработки выработок; 2 возведение свода
А-А z’/’AV/'AV/’AV/’AV/’AV/’AV/’AV/’AV/’AV/’AV/AVz’Z
— • — открытый способ
-------горный способ
-------полуоткрытый способ
Рис. 13.2. График зависимости относительной стоимости сооружения тонне лей от глубины заложения
да и обратной засыпки. При наличии мягких слоев их удаляют, заменяя «тощим» бетоном. Для бетонирования перекрытия на грунт укладывают пластиковую пленку, чтобы предотвратить сцепление с ним бетона, и ставят арматурные каркасы.
Если несущая способность грунтов недостаточна для восприятия давления от свода, котлован вскрывают до уровня пят свода и устанавливают стационарную или передвижную опалубку. После набора бетоном достаточной прочности выполняют гидроизоляцию свода, засыпают его оставшимся от вскрытия котлована грунтом и восстанавливают дорожную одежду над тоннелем. Дальнейшие работы ведут под сводом по технологии новоавстрийского способа. Грунт разрабатывают экскаватором или тоннельной машиной со стреловым рабочим органом и удаляют самосвалами. Калотту проходят с опережением штроссы на 20—40 м.
По мере вскрытия профиля наносят покрытие из набрызгбетона, армированного стальными сетками или арками. После стаби-
Рис. 13.3. Сопряжение свода со стенами тоннеля:
1 стальная лента; 2 прокладка из стиропора; 3 стальная арка; 4 деревянные прокладки; 5 анкер
лизации деформаций контура выработки, определяемых приборами, разрабатывают лотковую часть и бетонируют обратный свод. Своевременное замыкание контура выработки значительно повышает степень ее устойчивости.
В последнюю очередь возводят вторичную обделку из набрызгбетона или монолитного бетона в передвижной опалубке. Для повышения надежности сопряжения свода со стенами под его пяты до бетонирования укладывают сталь
ную ленту и прокладки из стиропора (рис. 13.3), а после бетониро-
вания, во время раскрытия выработки, устанавливают стальные
арки, сопрягая их с арматурным каркасом пяты.
По этой технологии сооружены также некоторые тоннели в Германии. Так, например, при строительстве тоннеля в Бад-Бертрихе под пяту свода заранее подводили фундаменты из буровых свай с обвязкой, которую объединяли с ней (рис. 13.4, а). Это технически простое и эффективное решение.
В неустойчивых грунтах свод опирают на предварительно возведенные стены из закрепленного глубинной инъекцией (цементным раствором, жидким стеклом с хлористым кальцием или синтетической смолой) грунта (рис. 13.4, б). Эффективным может оказаться применение струйной цементации.
При недостаточном боковом отпоре грунта, а также смещениях свода в горизонтальном и вертикальном направлениях свыше допустимых величин последний закрепляют стальными затяжками (рис. 13.4, в), что возможно только при бетонировании его на опалубке. По завершении всех работ затяжки снимают.
При заложении тоннелей до 4 м целесообразно устраивать плоское перекрытие вместо сводчатого (рис. 13.5).
Рис. 13.4. Схемы опирания свода:
а на буровые сваи; б на столбы закрепленного грунта; в усиление свода затяжкой; 1 обвязка; 2 свод; 3 пята свода; 4 буровая свая;
5 инъекционные скважины; 6 столб закрепленного грунта; 7 затяжка
Рис. 13.5. Схема сооружения тоннеля с плоским перекрытием:
а однопролетная конструкция; б двухпролетная конструкция;
1 бетонирование перекрытия; 2 вскрытие котлована; 3 устройство на клонных стенок; 4 тоннельная выработка; 5 плита перекрытия; 6 обратная засыпка
Для обеспечения устойчивости перекрытие опирают концами на короткие наклонные буровые сваи или столбы из искусственно закрепленного грунта (так называемый способ рамной крепи). Таким способом можно сооружать как однопролетные (рис. 13.5, а), так и двухпролетные (рис. 13.5, б) тоннели. В последнем случае по мере раскрытия выработки в средней части устанавливают промежуточный ряд колонн или сплошную стенку.
Впервые в практике метростроения полузакрытый способ работ был применен в Мюнхене (Германия) при строительстве станции мелкого заложения в стесненных условиях городской застройки (рис. 13.6), что позволило реализовать сквозную проходку перегонных тоннелей и значительно сократить объем работ по сравнению с традиционным открытым способом.
После проходки путевых тоннелей на участке среднего зала и пристанционных сооружений раскрывали котлован со свайным ограждением стен (рис. 13.6, а), из которого последовательными боковыми заходками вскрывали обделку путевых тоннелей. Часть ее блоков разбирали и в котловане возводили нижнюю и верхнюю железобетонные плиты, основания и перекрытия зала с колоннами между ними. Обделка на этот период раскреплялась специальными устройствами как изнутри, так и со стороны котлована (рис. 13.6, б, в).
Заслуживает внимания технология строительства станций метрополитена колонного типа в Роттердаме (рис. 13.7). Станция «Виль-гельминапьер» с боковыми платформами построена в 1996 г. вокруг двухпутного перегонного тоннеля мелкого заложения на эксплуатируемой линии метрополитена.
Такую техническую задачу неоднократно успешно решали в мировой практике подземного строительства, но в условиях данного объекта приходилось учитывать крайнюю неустойчивость грунтового основания. При разработке станционного котлована с водопонижением конструкция перегонного тоннеля, опирающаяся на свайные фундаменты, могла переместиться вверх под действием выталкивающей силы. Между тем работы предстояло выполнить без прекращения эксплуатации линии. Разработанный с учетом этих условий проект производства работ предполагал первоочередное возведение стен станции способом «стена в грунте». Стены, «оседлав» перегонный тоннель, предотвратили его всплытие. Вдоль ли-
Рис. 13.6. Сооружение полузакрытым способом станции в Мюнхене: а — проходка путевых тоннелей и раскрытие котлована между ними; б — раскрытие выработок под сооружение среднего зала; в — возведение конструкций среднего зала станции
433
Рис. 13.7. Двухпролетная станция колонного типа, сооруженная полузакры тым способом вокруг эксплуатируемого двухпутного тоннеля мелкого заложения:
а до переустройства; б после переустройства; 1 шпунтовая стенка; 2 перегонный тоннель; 3 плита перекрытия; 4 временная опорная стойка;
5 тяга; 6 плита распределительного яруса; 7 промежуточная опора
нии были погружены шпунтовые ограждения, в которых обычные шпунтины перемежались с коробчатыми. Обе шпунтовые стенки 7, расположенные на расстоянии 15 м от центральной оси тоннеля, погружали одновременно, чтобы предотвратить горизонтальные перемещения перегонного тоннеля 2.
По готовым стенам котлована была уложена монолитная плита 3 перекрытия толщиной 2,5 м, масса которой приблизительно равна массе грунтового пласта, пригружающего перегонный тоннель. После этого было выполнено водопонижение (с одновременным обеспече
нием компенсирующей заливки воды через скважины, расположенные в окружающем котлован районе) и разработан грунт до уровня перекрытия перегонного тоннеля. Между шпунтовыми ограждениями были установлены расстрелы, а между перекрытиями перегонного тоннеля и котлована — временные опорные стойки 4.
Закрепив выработку, продолжили разработку котлована до проектного уровня подошвы, после чего забетонировали лоток, стены и платформы. Между лотком и обделкой перегонного тоннеля выполнено водонепроницаемое сопряжение. Затем в верхней части станции на стальных тягах 5 была подвешена плита распределительного яруса 6, а по колоннам перегонного тоннеля возведены двухподкосные промежуточные опоры 7 перекрытия станции. После этого были удалены временные расстрелы стойки.
Обделка перегонного тоннеля, за исключением ее частей, включаемых в станционную конструкцию, была демонтирована, а пути ограждены противопылевым экраном. Работы выполняли, в основном, в ночные технологические окна.
На строящейся линии Намбоку метрополитена Тэйто в Токио (Япония) намечено применить новую прогрессивную технологическую схему механизированной сквозной проходки на участке с двухпутными перегонными тоннелями и станциями колонного типа с боковыми платформами. Проходка как перегонных, так и станционных тоннелей предусмотрена одним механизированным щитовым агрегатом.
По технологической схеме (рис. 13.8) перегонный тоннель предусмотрено сооружать механизированным щитом диаметром 8,9 м с гидропогрузом забоя. Конструкция этого щита дала возможность преодолевать на перегоне кривые с минимальным радиусом 160 м. На входе и выходе станционного участка раскрываются монтажные и демонтажные котлованы относительно небольших размеров.
После выхода щита в монтажный котлован производится его агрегатирование с двумя боковыми механизированными щитами неполного профиля наружным диаметром 6,28 м с качающимся исполнительным органом (что позволяет им работать одновременно с роторным исполнительным органом центрального щита). Опорные металлоконструкции элементов агрегата соединяют между собой на болтах, а их щитовые оболочки — временной сваркой.
Рис. 13.8. Схема сквозной проходки линии метрополитена с использованием сборно разборного щитового агрегата:
1 участок перегонного тоннеля; 2 участок станционного тоннеля; 3 мон тажный (демонтажный) котлован; 4 роторный щит для двухпутного тоннеля;
5 щиты с качающимся исполнительным органом для платформенного простран ства станций; 6 монтаж трехсводчатого щитового агрегата; 7 проходка трех сводчатого станционного тоннеля; 8 демонтаж трехсводчатого агрегата
Этим же агрегатом проходят на полное сечение станцию колонного типа с боковыми платформами, устанавливая сборную обделку толщиной в центральной части 40 см, а в боковых — 30 см и поддерживающие стальные колонны (см. п. 3.3). В дальнейшем ригели, платформы и лоток выполняют в монолитном железобетоне. По окончании проходки станционного тоннеля щитовой агрегат выходит в демонтажный котлован, где боковые щиты отсоединяются, а центральный приступает к проходке очередного перегона.
В настоящее время основные элементы технологической схемы экспериментально отработаны и завершается составление проекта производства работ с учетом имеющегося опыта применения гидрощита с тройным рабочим органом (мультиорганом) на строительстве пересадочной станции «Лидабаши» в Токио [15, ч.1, с. 113—118].
Оригинальное решение станционных комплексов, признанное изобретением, было предложено для метрополитена Софии (Болгария) Г. Оганесовым и С. Братеевым. Основной конструктивной особенностью предложенной ими станции колонного типа (рис. 13.9) является объединение обделки путевых тоннелей с колонно-прогонным комп-
Рис. 13.9. Конструкция станции колонного типа из сборных Т образных элементов
лексом путем устройства Z-образных продольных поясов обвязки из монолитного железобетона. При этом пояс жестко связывает отдельно стоящие (с шагом через 6 м) рамы несущей конструкции станции, состоящие из двух Т-образных железобетонных элементов.
Этапы сооружения станции (рис. 13.10) предполагают выполнение следующих операций: проходка путевых тоннелей 1 механизированными щитами (1-1); разработка котлована 2 шириной 13,5 м до шелыги свода путевых тоннелей и установка временных рам крепления 3 в каждом кольце обделки этих тоннелей (2-2); разработка нижнего яруса котлована до низа лотковой плиты станции (3-3); демонтаж временных тюбингов обделки путевых тоннелей 4 со стороны котлована с установкой распорных элементов 5 в поперечном сечении станции между смежными рамами, устройство монолитной железобетонной плиты лотка 6 и монтаж фундаментных подколонных блоков 7 (4-4); монтаж несущих рам колонного комплекса из двух Т-образных железобетонных элементов 8 (5-5); бетонирование продольных поясов 9 обвязки с установкой закладных деталей в месте расположения свай (6-6); монтаж внутренних конструкций и блоков перекрытия станции 70; устройство гидроизоляции (7-7);
438
Рис. 13.10. Этапы сооружения станции колонного типа: 1-1...8-8 — этапы
обратная засыпка котлована 11 над конструкцией станции; восстановление дорожного покрытия (8-8).
Заслуживает внимания опыт сооружения подземного станционного комплекса «Хаттебори» в условиях плотной застройки пригорода Токио в Японии. Сравнительно небольшая ширина улицы (22 м), а также наличие густой сети подземных коммуникаций (в том числе крупных канализационных коллекторов) обусловили необходимость заложения станционных и путевых тоннелей на глубине порядка 20 м от земной поверхности и принятия нестандартных объемно-планировочных решений станционного комплекса.
Платформенная часть станции образуется двумя путевыми тоннелями диаметром 8,1 м, пройденными на расстоянии в свету 3,25 м один от другого (рис. 13.11). Находящаяся между ними островная платформа шириной
10,8 м и длиной 205 м рассчитана на прием 10-вагонных составов. Над платформенной частью запроектирован двухъярусный станционный комплекс.
Конструкция станционного комплекса представляет собой двухъярусную трехпролетную рамную систему длиной 138 м из сборно-монолитного железобетона, состоящую из боковых траншейных стен, колонн, прогонов, верхнего и межъярусных перекрытий и днища.
Учитывая стесненные градостроительные и сложные инженерно-геологические условия, строительство станционного комплекса вели комбинированным способом: путевые тоннели проходили в песчаных грунтах механизированными щитами с пригрузочными камерами, заполненными под давлением бентонитовой суспензией, а верхнюю часть комплекса сооружали поэтапно по схеме «сверху вниз» (рис. 13.12).
Вначале (рис. 13.12, б) с применением технологии «стена в грунте» возвели боковые стены и одновременно с ними сквозные ко-
Рис. 13.11. Общий вид подземного станционного комплекса:
1 боковые траншейные стены; 2 внутренние конструкции; 3 первый подземный ярус; 4 второй ярус; 5 соединительная выработка; 6 путе вые тоннели; 7 пассажирская плат форма
12
Рис. 13.12. Технологическая последовательность возведения подземного станционного комплекса:
а...з этапы работ; 1 пласт водонепроницаемого грунта; 2 первичная его разработка; 3 укрепленный грунт; 4 путевые тоннели; 5 вторичная раз работка грунта; 6 противодеформационные элементы; 7 колонны и прого ны в путевых тоннелях; 8 днище; 9 внутренние стены комплекса; 10 сня тие противодеформационных элементов; 11 верхнее строение пути; 12 рас крытие нижней части межтоннельного пространства; 13 междуярусное пере крытие; 14 подпорная стойка; 15 восстановление дорожного покрытия; 16 верхнее перекрытие подземного комплекса; 17 соединительная часть рамной конструкции
лонны в виде буронабивных свай. После этого разработали грунт между стенами до отметки 10 м. На следующем этапе (рис. 13.12, в) прошли путевые тоннели и произвели искусственное закрепление грунтового целика между ними, а также между будущим днищем второго яруса и платформенной частью. Затем в тоннелях смонтировали колонны, верхние и нижние прогоны и установили временные усиливающие элементы для предотвращения возможных деформаций обделок во время вскрытия среднего зала станции (рис. 13.12, г). Одновременно с этими работами вели разработку грунта между боковыми стенами комплекса до проектной отметки и забетонировали днище (рис. 13.12, д).
На следующем этапе (рис. 13.12, е) приступили к раскрытию центрального участка платформенного зала станции между путевыми тоннелями,
с предварительной разборкой части тюбингов сначала в калоттном профиле, а затем в штроссе. По мере разработки грунтового целика забетонировали плиту перекрытия и лоток, соединив путевые тоннели между собой на всем протяжении перрона. Затем демонтировали усиливающие проти-водеформационные элементы и начали монтаж конструкций станционной платформы и верхнего строения пути в боковых тоннелях. Затем приступили к монтажу внутренних конструкций станции и разработке (в два приема) грунта под соединительную часть между вторым ярусом и посадочными платформами, с устройством постоянной крепи (рис. 13.12, ж). В последнюю очередь произвели бетонирование промежуточного и верхнего перекрытия комплекса (рис. 13.12, з).
Принятая технология позволила за счет совмещения наиболее трудоемких строительно-монтажных операций выполнить работы в сжатые сроки. Затраты времени составили: на сооружение путевых тоннелей 2 мес, платформенной части 7 мес. Основные работы по строительству всего объекта были завершены за 12 мес. При этом удалось свести к минимуму нарушения поверхности, избежать деформаций грунтового массива и расположенных поблизости зданий и сооружений.
Опыт возведения подземного комплекса может быть использован при возведении двухъярусных станций метрополитена, многоярусных гаражей, многофункциональных подземных объектов в крупных городах России.
13.2. Отечественный опыт проектирования
и строительства станций с транзитной проходкой тоннелей
Проектная разработка станции шатрового типа. Одним из первых конструктивно-технологических решений станции метрополитена полузакрытого способа в нашей стране стала разработка инженера Г. Молодцова, заключающаяся в следующем. Для увеличения плеча проходки перегонных тоннелей, сокращения до минимума объема земляных работ и перекладок подземных коммуникаций, а также для возможности строительства станции в условиях плотной городской застройки с узкими магистралями он рекомендовал применить однопролетную конструкцию шатрового типа (рис. 13.13), опирая ее на перегонные тоннели, пройденные закрытым способом.
Перекрытие станции состоит из наклонных, расположенных под углом один к другому экранов 7, соединенных между собой в замке шатра и опирающихся на обделки перегонных тоннелей 2. Экраны
Рис. 13.13. Конструкция станции полузакрытого способа работ шатрового типа
создают из наклонных пробуренных скважин с металлическими обсадными трубами либо из панелей, опускаемых в наклонные траншеи, разрабатываемые под защитой глинистого раствора специальными канавокопателями.
Перед устройством экранов вдоль оси станции раскрывают центральную траншею 3 после перекладки пересекаемых ею подземных коммуникаций. Затем по маркшейдерским показаниям в траншее устанавливают инвентарные металлические кондукторы, обеспечивающие точность бурения относительно обделки перегонных тоннелей скважин с обсадными трубами или раскрытие траншей с опусканием в них железобетонных панелей. Экраны создают сначала в одну строну, а затем — в противоположную по отношению к оси станции. В обсадные трубы вставляют арматурные каркасы и нагнетают цементно-песчаный раствор. В щелыге шатра армокар-касы скважин или выпуски арматуры панелей жестко соединяют между собой и омоноличивают, образуя единое перекрытие 4,
Проходку перегонных тоннелей на участке расположения станции следует вести до создания экранов теми же щитовыми механизированными комплексами, что и на примыкающих перегонах. Кольца обделки перегонных тоннелей предложено собирать из чугунных тюбингов или трех крупноразмерных взаимозаменяемых блоков 5 и замковых вкладышей. При раскрытии среднего зала один из блоков и вкладыш извлекают.
После разработки грунта до уровня платформы монтируют металлические соединительные башмаки 6, привариваемые к трубам или металлоизоляции панелей шатрового перекрытия и жестко присоединяемые к тюбингам обделки перегонных тоннелей при помощи болтовых соединений или сварки с металлической облицовкой блоков.
Гидроизоляция шатрового перекрытия обеспечивается чеканкой зазоров между панелями или трубами, а в случае необходимости — забивкой в зазор металлических полос с последующим соединением их с трубами или металлоизоляцией панелей.
С уровня платформы забивают анкерные шпунтовые стены 7, а затем дорабатывают грунт до проектной отметки. После укладки лотковых и платформенных плит производят их омоноличивание в стыках между собой и с анкерными шпунтовыми стенами, которые воспринимают усилия, передаваемые шатровым перекрытием через обделки перегонных тоннелей и платформу.
Взамен анкерных шпунтовых стен для восприятия передаваемых перекрытием усилий на обделку путевых тоннелей целесообразно применение анкеровки ее блоков с помощью стержневых анкеров 8, устанавливаемых через специально пробуренные отверстия.
Применение конструкции однопролетной станции с перекрытием шатрового типа позволит: обеспечить возможность ее сооружения в стесненных условиях городской застройки; значительно сократить объем работ, выполняемых открытым способом (включая перекладку подземных коммуникаций), а также сроки возведения станции; рационально использовать щитовые комплексы при проходке перегонных тоннелей; уменьшить количество требуемых строительных площадок.
Новая концепция строительства метрополитенов. Несомненным «пионером» в реализации нового «кернтненского» способа строи
тельства станций метрополитена в нашей стране является докт. техн, наук, проф. Ю.С. Фролов, опубликовавший результаты своих исследований в работе «Метрополитены на линиях мелкого заложения: новая концепция строительства» [112].
Суть концепции, основанной на зарубежном опыте строительства подземных сооружений полузакрытым способом, заключается в непрерывной (сквозной) проходке строящейся линии метрополитена с последовательным сооружением каждого станционного комплекса по мере проходки через него проходческих щитов. Исходя из предположения, что пусковой участок является продолжением линии и включает два перегона с двумя станциями, в работе приводится график строительства линии [112, рис. 2.1] с учетом проходки перегонных тоннелей на этом участке, не дожидаясь завершения работ на предыдущем. При этом все работы по сооружению станции на новом пусковом участке выполняет одно специализированное подразделение, а к строительству очередной станции приступают только после того как перегонные щитовые комплексы пройдут часть трассы в пределах этой станции.
Необходимые темпы проходки перегонных тоннелей должны обеспечивать равномерный и непрерывный строительный процесс и определяются на каждом перегоне в зависимости от его длины, длины станционного комплекса и времени сооружения станции.
Последовательная схема возведения станции на пусковом участке увеличивает общие сроки его строительства по сравнению с параллельной и может дать эффект только при значительном ускорении строительных работ на каждом станционном сооружении. С этой целью в развитие предлагаемой концепции разработаны принципиально новые конструктивные решения станций и соответствующие способы их сооружения, отвечающие поставленным требованиям. Каждая из приведенных в работе [83] конструктивных схем станций метрополитена отличается от традиционных прежде всего тем, что в состав станционной обделки входят элементы обделки перегонных тоннелей, пройденных притоннельными щитовыми комплексами. Таким образом, станции сооружают с использованием приемов как закрытого, так и открытого способов работ, что дает основание использовать в дальнейшем термин полузакрытый способ сооружения станции. Именно эта особенность способствует
сокращению сроков сооружения объекта в открытом котловане сравнительно небольших размеров в сечении.
Новизна и нестандартность рассмотренных станционных конструкций и технологии их сооружения требуют в процессе проектирования таких решений, для которых недостаточно, а зачастую и невозможно использовать метод аналогий и повторных решений. Например, конструкция колонной станции с двухконсольной плитой перекрытия чрезвычайно чувствительна к любым изменениям ее параметров: высоты прохода в разомкнутых кольцах путевых тоннелей, высоты платформенного зала, длины консолей перекрытия, отношения жесткостей обделки путевых тоннелей и плиты перекрытия и т.д. Существенное влияние на характер нагружения станционных конструкций оказывает и полузакрытый способ их сооружения.
Из приведенного следует, что при выборе оптимальных соотношений конструктивных параметров станций полузакрытого способа работ менее всего допустимы традиционные или «волевые» подходы. В таких случаях большое значение приобретают научные методы, позволяющие обоснованно принимать оптимальные инженерные решения.
С этой целью на кафедре «Тоннели и метрополитены» ПГУПСа проведен комплекс научных исследований с использованием методов математического и физического моделирования. На основе расчетно-теоретического анализа разработаны оптимизационные модели колонной и односводчатой станций полузакрытого способа работ. Такие модели позволяют на ПЭВМ типа IBM выбрать оптимальное сочетание параметров сооружения по принятому критерию оптимизации при любых значениях исходных параметров, выявить степень влияния любого из исходных параметров на характер напряженно-деформированного состояния конструкции.
Выдвигая новую концепцию строительства метрополитена на линиях мелкого заложения, авторы не противопоставляют ее традиционным методам, а предлагают рассматривать как альтернативное решение, которое в определенных условиях может дать весомый технико-экономический эффект. Предложения авторов легли в основу проекта строительства третьего пускового участка метрополитена в Самаре.
Контрольные вопросы к главе 13
1. В чем заключается сущность «кернтненского» способа производства работ?
2. Где впервые в метростроении был применен полузакрытый способ работ? Назовите основные этапы строительства по этому способу.
3. Какие конструктивно-технологические особенности станций метрополитена Софии (Болгария) были предложены болгарскими специалистами?
4. В какой технологической последовательности возводился подземный станционный комплекс «Хаттеборн» в Токио (Япония)?
5. Назовите основные достоинства и недостатки проектной разработки станции шатрового типа.
6. В чем состоит новизна и нестандартность новой отечественной концепции строительства станции метрополитена полузакрытым способом?
Раздел V. СТРОИТЕЛЬСТВО ШАХТНЫХ СТВОЛОВ И ЭСКАЛАТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ
Глава 14. СТРОИТЕЛЬСТВО ШАХТНЫХ СТВОЛОВ
14.1. Общие положения
Строительство метрополитенов закрытым способом, как правило, осуществляют через шахтные стволы, глубина которых определяется глубиной заложения линии метрополитена и колеблется в пределах от 20 до 80 м. Шахтные стволы располагают в 10—20 м от оси основных сооружений метрополитена, увязывая их местоположение с принятой системой вентиляции с целью рационального использования стволов в качестве постоянных сооружений. На практике чаще всего применяют стволы кругового очертания внутренним диаметром 5,1 и 5,6 м, что позволяет использовать для них типовые обделки перегонных тоннелей. Неглубокие стволы подземных вестибюлей метрополитена, через которые выполняют работы по замене оборудования эскалаторов, могут иметь прямоугольное сечение [3; 14, 99—101; 103, ч. 1; 104; 107, гл. 5; 118].
При сооружении стволов обычным способом (согласно п.п. 3.2, 3.3 СНиП Ш-44) следует использовать надшахтный комплекс оборудования (копер, подъемную машину, бункерную и тельферную эстакаду и др.), предназначенного для основных тоннельных работ. Надшахтный копер при сборной обделке ствола допускается сооружать из тюбинговых колец.
В случае проходки стволов в нескальных грунтах глубина заходки не должна превышать ширину кольца более чем на 10—15 см. Малоустойчивые грунты следует разрабатывать в две заходки по 50—60 см, начиная от центра забоя и заканчивая у внутренней поверхности тюбингового крепления, с окончательной доборкой грунта по мере установки тюбингов. В неустойчивых грунтах следует применять временное крепление в виде затяжки из досок. При на-
линии притока грунтовых вод проходку ствола следует вести с опережающим водосборником.
В случае проходки стволов с предварительным замораживанием грунтов на каждой заходке следует сначала разрабатывать грунт в пределах незамороженного ядра, а затем разрабатывать замороженный грунт. При разработке грунта внутри ледогрунтового ограждения вода, остающаяся в незамороженном состоянии, также должна удаляться. В случае поступления в забой значительного количества воды, указывающего на наличие изъяна в ледогрунтовом ограждении, работы должны быть приостановлены. Необходимо залить ствол водой до нормального уровня грунтовых вод и провести дополнительное замораживание грунтов.
Временную крепь при проходке стволов с монолитной бетонной обделкой в неустойчивых нескальных грунтах следует выполнять из металлических колец, устанавливаемых на расстоянии не более 1 м, с затяжкой боковой поверхности досками, в малоустойчивых скальных грунтах — анкерной крепью с металлической сеткой или из набрызгбетона. Металлические сегменты в кольцах необходимо соединять профильными накладками и штырями, обеспечивающими кольцам необходимую жесткость, а подвеску колец выполнять на стальных крючьях (не менее двух на каждый сегмент). Между кольцами следует устанавливать распорные стойки по числу крючьев. Все пустоты за деревянной затяжкой должны быть тщательно забучены [107, гл. 5]. Тампонаж пустот за обделкой (первичное нагнетание) при проходке стволов обычным способом в нескальных и малоустойчивых скальных грунтах следует производить за каждым установленным кольцом вне зависимости от наличия временного крепления выработки.
При сооружении стволов обычным способом в обводненных или искусственно замороженных несвязных водонасыщенных грунтах и плывунах гидроизоляционные работы необходимо выполнять в процессе проходки. Полные болтовые комплекты с гидроизоляционными шайбами надлежит устанавливать при монтаже обделки, контрольное нагнетание проводить в непосредственной близости от забоя с подвесного полка. Дополнительное контрольное нагнетание, подтяжку болтов, замену при необходимости болтовых комплектов, а также чеканку швов тюбинговой обделки следует вести с
временных полков. При проходке стволов с применением БВР чеканочные работы выполняют на расстоянии 20—30 м от забоя. При сооружении рабочих стволов без притока воды гидроизоляционные работы допускается не проводить.
Бетонирование монолитной обделки ствола, проходимое обычным способом, следует выполнять с применением передвижной опалубки участками по 4—6 м. Положение опалубки и состояние крепления выработки должны систематически контролироваться маркшейдерской службой. Положение обделки ствола относительно вертикальной оси проверять следует через два-три цикла передвижки опалубки. Передвижение опалубки на очередную заходку допускается после достижения бетоном прочности на сжатие не менее 0,8 МПа.
Подачу бетонной смеси за опалубку предусматривают бетоно-водами с креплением их к расстрелам. При повышенных требованиях к качеству бетона транспортировать бетонную смесь необходимо в условиях, исключающих ухудшение ее свойств. Отклонение стенок монолитной бетонной обделки ствола по радиусу от центра ствола должно быть в пределах 50 мм, а величина уступов на контактах смежных заходок — не более 30 мм.
В случае подачи бетонной смеси в ствол по вертикальным трубам при выходе ее из бетонопровода имеет место расслаивание, для предотвращения которого следует применять легкие, но достаточно прочные заполнители, например, доменные шлаки. Бетонная смесь в процессе движения по трубопроводу расчленяется на отдельные порции массой 15—20 кг (6—8 л), внутри которых расслаивание не происходит. Благодаря этому при падении порций смеси в приемный сосуд (бункер, за опалубку) происходит вторичное перемешивание с ранее уложенной смесью и восстановление однородности бетона.
Применяющиеся в настоящее время системы разводки бетонной смеси позволяют комплексно механизировать процесс возведения постоянной крепи в стволе при минимальных затратах труда и времени. При обычной схеме разводки (рис. 14.1) к нижней части гасителя скорости крепят хобот, состоящий из набора конусных патрубков, соединенных между собой серьгами. Такая конструкция хобота позволяет перемещать его для направления бетонной смеси за опалубку. Длина хобота легко регулируется из-
Рис. 14.1. Типовая схема бетонораз
водки:
1 подвесной полок; 2 бетоно провод; 3 гаситель; 4 телеско пические трубы; 5 гибкий бето нопровод; 6 опалубка; 7 заопа лубочное пространство; 8 поддон
менением числа патрубков. Удельная продолжительность возведения постоянной крепи в стволе с использованием передвижных призабойных опалубок при совмещении производства указанных работ с проходческими (погрузкой) обычно составляет 2—3 ч, без совмещения этих работ — снижается до 0,5—1,0 ч.
Предназначенные для строительства трубопроводы водоотлива, вентиляции, подачи сжатого воздуха и воды следует крепить к обделке ствола. Вентиляционные трубопроводы до подвесного полка должны быть жесткими, от подвесного полка до забоя — гибкими. Короткие расстрелы и мелкие детали армировки следует спускать в ствол в бадьях, а длинные — при помощи серьги на канате.
Армирование ствола с установкой направляющих проводников для клетьевого подъема допускается выполнять только при незамороженных грунтах, а надшахтного копра — проводить с подвесного полка, используемого для проходки и армирования ствола.
Остаточный приток воды в ствол после завершения его проходки не должен превы
шать 0,15 м3/ч. После окончания строительных работ следует отремонтировать гидроизоляцию до полного устранения фильтрации воды через обделку.
14.2. Шахтные комплексы
Горный комплекс на поверхности. Совершенствование проходческой техники и технологии сооружения тоннелей и связанное с этим увеличение темпов проходки и, соответственно, объемов выдаваемого на поверхность грунта и опускаемых вниз материалов потребовали механизировать, а затем и автоматизировать горные комплексы на поверхности, обеспечить более четкую и производительную работу откаточных средств и шахтных подъемов. Наиболее трудным звеном в механизации стала поверхностная откатка на горизонте верхних приемных площадок бункерных эстакад [66, гл. 8].
В процессе совершенствования технологий строительства метрополитенов совершенствовалась и компоновка горного комплекса на поверхности. В частности, при строительстве ст. «Площадь 1905 года» в Екатеринбурге принята компоновка горного комплекса с использованием бокового опрокида БОК-IM и козлового крана КК-4 (рис. 14.2).
Такая компоновка позволила в 2,8 раза (по сравнению с предложенной Харьковметропроектом) сократить расход металлоконструкций, уменьшить на 3 м высоту копра и снизить стоимость комплекса.
Основные преимущества этой компоновки — простота и надежность в связи с уменьшением числа механизмов; работа в одном уровне, значительно повышающая безопасность труда; удешевление и сокращение сроков строительства; снижение затрат на отопление комплекса в зимний период.
Более детально варианты подъемов и типы шахтных комплексов для линий метрополитенов глубокого и мелкого заложения рассмотрены в «Справочнике инженера-тоннельщика» [93, гл. 20] и в данном пособии не приводятся.
Высокопроизводительные шахтные комплексы для метрополитенов. Выполнение горнопроходческих работ большим количеством одновременно работающих забоев при строительстве подземных сооружений и ограниченном числе рабочих стволов в условиях плотной застройки вызывает необходимость разработки высокопроиз-
Рис. 14.2. Горный комплекс на стройплощадке:
1 трехкамерный шлакоотстойник; 2, 4 площадки для складирования ма териалов; 3 двухконсольный козловой кран; 5 навес лебедки лесоспус ка; 6 грунтовая эстакада; 7 пандусный съезд; 8 боковой опрокид; 9 подъездная дорога; 10 здание подъемной машины; 11 шахтный ствол; 12 склад цемента; 13 ленточный конвейер; 14 материальная эстакада; 15 склад сыпучих материалов; 16 копер из чугунных тюбингов
водительных шахтных комплексов, поскольку традиционные типы, имеющие производительность по грунту в плотном теле до 8000 м3/мес, не обеспечивают выполнение работ в заданные сроки. Наряду с этим существующие технологические схемы клетьевого подъема с двух горизонтов (нулевой площадки и эстакады) обусловливают необходимость формирования поверхностного горного комплекса, требующего значительных размеров площадки, что часто бывает трудно выполнить в условиях плотной городской застройки и сложных сетей подземных коммуникаций.
В практике горнодобывающих отраслей применяется скиповый подъем, обладающий большой производительностью, а спуск всех материалов осуществляется в вагонетках, тележках и специальных контейнерах в клетях только с нулевого горизонта. Вариант горного комплекса, оснащенного скиповым подъемом для выдачи грунта применительно к условиям метростроения, впервые был разработан около полувека назад, однако в то время он не получил распространения. Позднее подобная установка для шахт Ленметростроя была запроектирована институтом «Гипрошахт» и реализована при строительстве станций «Василеостровская» и «Выборгская» (рис. 14.3).
Рис. 14.3. Общий вид подъемной установки для шахт Ленметростроя:
1 клетьевая подъемная установка; 2 то же скиповая; 3 клеть; 4 скип
В одном стволе применили две подъемные установки: клетьевую 1 и скиповую 2. Обе машины смонтированы на поверхности в башне, сооруженной в такой же обделке, что и ствол шахты. Клеть 3 рассчитана на грунтовую вагонетку вместимостью 2550 кг (1,5 м3), подъем для скипа 4 — 5 т. Для двух подъемных машин необходимы два помещения и, соответственно, более высокие затраты на оборудование и строительные работы, часто связанные со сносом существующих зданий и последующим их восстановлением. Такая схема может быть применена в условиях плотно застроенной центральной части города.
Несколько иное конструктивно-технологическое решение горного комплекса было разработано и реализовано при строительстве ст. «Парк Победы» в Москве. Новый горный комплекс КШГ-2 оснащен как серийным, так и оригинальным оборудованием: боковыми опрокидывателями ОБ-1,5; толкателями верхнего действия ТВД; грузовыми платформами ПГУ-8 с оборудованием для подачи в ствол длинномерных (до 12,5 м) материалов. Комплекс КШГ-2 производительностью до 16 тыс. м3/мес по грунту в плотном теле включает в себя также тюбинговый копер с двумя приемными площадками на верхнем разгрузочном и нулевом горизонтах, две грузолюдские клети, две подъемные машины (одна из которых — двухбарабанная для грузолюдских клетей со скоростью подъема 2,5 м/с при глубине до 40 м и 3,8 м/с при глубине более 40 м, другая —для грузовой платформы со скоростью подъема 1 м/с), материальную эстакаду и два грунтовых бункера емкостью 40 м3 каждый.
Верхний разгрузочный горизонт оборудован комплексом с качающимися площадками для обмена вагонеток, средствами электровиброочистки и вентиляторами пылеотсоса.
На околоствольной площадке, кроме того, расположены кран-балка грузоподъемностью 3,2 (5,0) т для подачи грузов на материальную эстакаду, приемный узел для сухой смеси и песка с пере-подъемником, обеспечивающим подъем вагонеток с отметки минус 4,5 м на нулевой горизонт, механизированный склад цемента и др. Возможность доставки длинномерных материалов и крупногабаритного оборудования в грузовой платформе позволила отказаться от устройства в стволе лесоспускного отделения, опасного в эксплуатации.
Нижний откаточный горизонт в районе околоствольного двора выполнен двусторонним и оборудован двумя агрегатами АПТ-2 для механизированного обмена вагонеток, каждый из которых включает в себя две качающиеся площадки (входную и выходную), привод для открывания стопоров клети, стволовые двери шлагбаумного типа, задерживающий стопор, толкатель и путевой тормоз. Такая схема механизации работ позволила увеличить производительность подъема грунта в два раза за счет сокращения времени обслуживания вагонеток на приемных горизонтах и увеличения скорости подъема.
Все механизмы агрегатов оборудованы пневмо- или гидроприводом и управляются одним оператором с дистанционного пульта управления. Продолжительность цикла обмена вагонеток на верхнем приемном горизонте и одновременно на нижнем откаточном (в околоствольном дворе) составляет около 20 с по сравнению с 60—80 с на традиционных комплексах.
При возведении ст. «Пролетарская» Люблинской линии Московского метрополитена пройден ствол диаметром 8,5 м, оборудованный высокопроизводительным шахтным комплексом КШГ-4, имеющим два независимых клетьевых подъема. Один из них работал на горизонте бункерной эстакады с производительностью 60 подъемов в час, второй — на нулевой отметке с производительностью 35 подъемов в час. Клети имели грузоподъемность 4 т, скорость движения 2,5 м/с.
Вертикальные конвейеры и элеваторы. Проблема повышения производительности вспомогательных устройств, в частности, шахтного подъема при строительстве подземных сооружений стала особенно актуальной в связи с широким внедрением различных способов скоростной проходки тоннелей. Одно из направлений в решении этой задачи за рубежом — использование для подъема грунта конвейеров и аналогичных устройств непрерывного действия.
По сравнению с традиционными шахтными подъемами (вагонеточным, грейферным, скиповым) устройства непрерывного действия обладают рядом преимуществ: обеспечивают высокую производительность подъема разработанного грунта при значительной глубине заложения тоннеля, повышение безопасности ведения работ, вследствие малых габаритов дают возможность использовать ствол для раздельной транспортировки грунта, строительных материалов
и людей. Кроме того, операции по выдаче грунта легко поддаются автоматизации, полностью устраняется ручной труд.
В Японии, например, широкое распространение получили цепные элеваторы с опрокидными ковшами, шарнирно соединенными с тяговым органом. Такую конструкцию применили, в частности, на строительстве станции «Мидзута-те» Токийского метрополитена. Вертикальный участок составлял 28,7 м, горизонтальный—10,6 м. При скорости движения цепи 15 м/мин и емкости ковшей 0,1 м3 номинальная производительность составила 60 м3/ч, наибольшая куско-ватость песчаного грунта оказалась 50 мм. Установленная мощность привода — 36 кВт.
У ковшовых цепных конвейеров два основных недостатка: значительный износ цепей и металлоконструкций, а также трудности, связанные с очисткой ковшей от налипшего грунта.
Уменьшение габаритов, массы и энергоемкости машин, полная автоматизация — основные направления совершенствования конвейеров. Фирма «Синко Кико» разработала и серийно выпускает шахтные элеваторы с непрерывной загрузкой и порционной разгрузкой грунта (рис. 14.4), транспортируемого на горизонтальных полках.
Грузонесущие полки шарнирно закреплены на четырех тяговых цепях и обладают необходимой жесткостью в направлении сверху вниз и подвижностью в направлении снизу вверх. В зоне загрузки элеватора промежутки между полками перекрываются закрепленными на них открылками, что предупреждает просыпание грунта, подаваемого шнековым питателем. Решена и очистка полок от налипшего грунта: после разгрузки они поворачиваются рабочей поверхностью вниз, что дает возможность в случае необходимости применять различные устройства для очистки. Высота элеватора регулируется наращиванием вертикальной несущей конструкции и уменьшением длины горизонтального участка, снабженного передвижной несущей рамой.
Полочные шахтные элеваторы применяют в Японии на многих объектах подземного строительства, в том числе при щитовой проходке тоннелей метрополитена. Наибольшая производительность, достигнутая при сооружении тоннеля в глинистых грунтах — 1000 м3/сут. Эти машины малошумны, что позволяет использовать их в услови
Рис. 14.4. Шахтный элеватор с непрерыв ной загрузкой и порционной разгрузкой грунта
ях городского строительства и в ночное время.
Спуск и подъем людей в вертикальных выработках. При проходке устьев, технологических отходов и самих неглубоких стволов выдачу грунта на поверхность и доставку материалов в забой осуществляют с помощью грузовых подъемов, оснащенных специально переоборудованными в этих целях кранами, лебедками и другими машинами. Спуск и подъем людей в стволах глубиной до 25 м обычно не механизирован, хотя в течение смены могут иметь место: одно- и многоразовые перемещения проходчиков, маркшейдеров, лиц технического надзора с поверхности в вы
работки и обратно; ежесуточные плановые ремонтно-профилактические осмотры ствола и оборудования; периодические посещения мест работ представителями заказчика, органов Госгортехнадзора, военизированных горно-спасательных частей (ВГСЧ), проектной организации и др.; непредвиденные спуски при аварийных и спасательных работах. Пешие передвижения людей с различной физической подготовкой и разного возраста, нередко с инструментами или приборами происходят по мало приспособленным навесным, выдвижным или секционным лестницам либо лестничным отделениям. Применение тех или иных решений зависит от глубины размещения рабочих мест, частоты пользования, условий подземной среды.
Приставная и навесная лестницы, устанавливаемые как вертикально, так и с углом наклона к горизонту 75°, используются при перепа
де высоты рабочих площадок не более Юм. При превышении этой величины устраивают промежуточные площадки для отдыха. Лестницы длиной более 5 м в целях обеспечения безопасности должны быть снабжены дуговыми ограждениями или канатом с ловителем для закрепления карабина предохранительного пояса. Изготовляют их из профильной стали в условиях строительной площадки.
Стволы глубиной свыше 10 м в процессе проходки, как правило, оборудуют постоянными лестничными отделениями (параллельно с армированием) или маршевыми спусками. Первые устраивают между стационарными полками из маршей с перилами из профильного металла и обшивки из досок или металлического сетчатого ограждения. Марши устанавливают под углом к горизонту не более 80°. Их высота (3—8 м) зависит от принятого шага размещения полков. Для беспрепятственного продвижения по стволу в полках предусматривают проемы.
Лестничное отделение и маршевую лестницу устраивают вслед за проходкой с отставанием 4—20 м от забоя, которое зависит от ряда факторов: способа разработки забоя, степени механизации погрузки и выдачи грунта, организации работ в стволе. Для заполнения пространства между полком или площадкой и забоем используют приставные, навесные, выдвижные, телескопические и другие лестницы.
При проходке стволов глубиной более 25 м спуск, подъем и выход людей на поверхность требуется механизировать.
Независимо от наличия механического подъема стволы во всех случаях оборудуют лестничными отделениями.
В настоящее время внедряются более совершенные способы сооружения стволов с применением проходческих комплексов. При этом используют бадьи большой вместимости и новые типы погрузочных машин и полков. Доставка людей осуществляется в таких бадьях с помощью грузолюдских подъемов. На случай экстремальных ситуаций предусматривается аварийно-спасательная лестница. Ее длина должна обеспечивать одновременное размещение на ней всех работающих самой многочисленной смены. Аварийно-спасательная лестница крепится к канату лебедки, имеющей механический и ручной приводы. Во время производственного процесса она располагается над проходческим полком и опускается в забой
через специальный проем только в случае аварии. Кроме спасательной, для сообщения между полком и забоем предусматриваются телескопическая или канатная лестницы.
Внедрение перевозки людей бадьями сдерживается высокими затратами на оснастку грузолюдских подъемников, потребностью в специальных лебедках для навески спасательной лестницы, значительной продолжительностью монтажных и пусконаладочных работ. Производительность бадьевого подъема снижается из-за двойственности назначения системы — перевозки людей и выдачи на поверхность грунта. В результате затраты значительно превышают получаемый эффект, поэтому для комплексного решения проблемы механизации сооружения ствола предпочитают крановую проходку грузовыми бадьями с устройством пешеходных лестниц.
Негативное влияние на выбор бадей в качестве средства для перевозки людей оказывают и конструктивные особенности бадей: неприспособленность их для этой цели и несоответствие условиям транспортировки пострадавших при несчастном случае; ограниченность провозной способности: при численности смены 6—8 человек и норме на 1 м2 днища бадьи 4 чел. их доставку на рабочие места и подъем на поверхность осуществляют в два или несколько приемов (табл. 14.1).
Таблица 14.1
Основные характеристики бадьевого подъема
Показатель Величина показателя для бадей типа
БП 1 БП 1,5 БПС 2 БПС 2,5 БПС 3
Вместимость бадьи, м3 1 1,5 2 2,5 3
Площадь днища бадьи, м2 0,8 1 1,2 1,2 1,6
Количество одновременно размещаемых людей 3 4 5 5 6
Таким образом, для улучшения условий труда при сооружении стволов и повышения безопасности персонала необходим отказ от пеших перемещений по лестницам и совершенствование соответствующих транспортных средств. Значительные возможности для решения этой проблемы появляются при использовании одноконцевой вспомогательной установки людского подъема, которая состоит из временной клети, перемещающейся по жестким односторонним проводникам, шкива для каната и лебедки с механическим
и резервным ручным приводом. Установка может применяться как средство для перевозки людей и в качестве аварийно-спасательного устройства. Она позволяет заменить дорогостоящие и трудоемкие при обслуживании грузолюдские подъемные средства и ускорить оснастку стволов проходческим оборудованием. Размеры клети должны не только обеспечивать одновременную перевозку всех рабочих наиболее многочисленной смены, но и иметь достаточно места для размещения носилок с пострадавшим и для двух сопровождающих.
Анализ производственных процессов в забое, ремонтно-профилактических осмотров ствола, а также аварийно-спасательных работ позволил определить необходимый размер полезной площади пола клети — не менее 1,8 х 1 м для размещения одновременно 9 человек. Клеть таких размеров не мешает проходке и дает возможность хранить ее в пределах ствола.
14.3. Механизированные комплексы для проходки и возведения крепи стволов
Стволовая проходческая машина ПМС. Институтом «КузНИИ-шахтострой» создана и испытана в промышленных условиях стволовая проходческая машина ПМС (рис. 14.5).
Машина ПМС предназначена для проходки вертикальных шахтных стволов диаметром от 5,0 до 8,0 м в свету с максимальной глубиной, зависящей от производительности применяемых подъемных механизмов. Основной функцией машины ПМС является погрузка разработанного грунта. Кроме того, с ее помощью можно вести его разработку, бурение шпуров, установку элементов сборной обделки и др. путем использования сменных рабочих органов манипулятора: бурильных машин, молотов, грузовых захватов и пр. (рис. 14.6).
Согласно основной технологической схеме, машину подвешивают к канату лебедки. На время работы она обычно жестко соединяется с проходческим полком, опускаясь в процессе проходки ствола вместе с ним (или при помощи специального устройства — независимо от него). Для профилактического обслуживания и защиты от действия взрыва при буровзрывной разработке грунта машину складывают и поднимают лебедкой выше нижней площадки полка.
По сравнению с традиционными пневматическими монорельсовыми машинами типа КС с канатной подвеской грейфера ПМС обладает рядом существенных преимуществ: более высокая степень заводской готовности, так как ее основная часть (манипулятор, блок механизма поворота манипулятора и кабина) транспортируется в сборке на специальной крепежной раме; отсутствие дополнительных затрат на изготовление и установку кругового монорельса; компактность машины; пониженный уровень шума (85 дБ вместо 112 дБ); отсутствие водомасляной эмульсии в атмосфере от выхлопа сжатого воздуха; снижение затрат
на электроэнергию; легкость регулирования режима работы; надежная защита конструкции машины от действия экстремальных нагрузок и др.
Перечисленные достоинства машины ПМС указывают на возможность эффективной замены с
Рис. 14.5. Стволовая проходческая машина ПМС:
1 грейфер; 2 стреловой манипу лятор; 3 силовой блок; 4 блок ме ханизма поворота и отклонения мани пулятора; 5 кабина оператора; 6 подвеска кабины
> пневматических грузчиков типа
КС-3 с ручным вождением, которые все еще применяются при строительстве вертикальных стволов на метрополитенах России.
Применение машины ПМС и комплекта навесного оборудования для погрузки горной массы, отбойки грунта, бурения шпуров и монтажа обделки обеспечивает комплексную механизацию всех процессов при сооружении шахтных стволов. Особый интерес представляет использование пневмомолота для отбойки грунта, что дает возможность отказаться от буровзрывных работ при проходке ство
лов в условиях города.
Рис. 14.6. Навеска сменных рабочих органов на манипулятор ПМС: а бурильная установка; б варианты устройств для монтажа тюбингов; в схема подвески гидромолота к стреле машины
Комплекс для проходки стволов КСО. Комплекс КСО предназначен для проходки стволов диаметром 5,1 и 5,5 м в свету со сборной опускной крепью в неустойчивых грунтах (рис. 14.7).
Погрузочную машину и подъемный комплекс можно применять в стволах разных диаметров, используя специальные стяжки между рамой погрузочной машины и двумя тележками перемещения по монорельсу. При разрыхлении грунтов по внутренней поверхности ножа подают воду под давлением с целью предохранения ножа от повреждения. Кроме того, подъемный комплекс можно использовать при проходке тоннелей, применяя вагонетки типа ВГ-1,0.
После монтажа комплекса проходческий цикл начинается с разработки, погрузки и выдачи грунта ядра забоя с оставлением бермы по периметру ствола. Одновременно с монтажного полка ведут монтаж кольца крепи и обтяжку болтовых соединений. После выемки грунта и монтажа крепи домкратной системы задавлива-ют опускную крепь. При этом по всей внутренней поверхности
ножа через отверстия под давлением подается вода. Остальные операции выполняют по традиционной схеме опускного способа.
Применение комплекса позволяет максимально механизировать разработку, погрузку и выдачу грунта, повысить надежность конструкций при работе на большой глубине.
Навесные виброгрейферы серии ПВ. Бывшим Всесоюзным научно-исследовательским институтом
гидромеханизации строи- рис 14 7 Комплекс оборудования КСО тельства (ВНИИГС, Ленин- для проходки неглубоких стволов град) были разработаны и
внедрены в производство эффективные навесные виброгрейферы для проходки вертикальных выработок различного назначения (рис. 14.8): шахтных стволов, скважин для устройства набив
Рис. 14.8. Технологические операции цикла работы виброгрейфера: а принудительное вибрационное погружение в грунт; б извлечение виб рогрейфера с грунтом; в принудительная вибрационная разгрузка грунта
ных свай, выработок для фундаментов любого очертания, опор на сваях-оболочках, устройства противофильтрационных и дренажных систем и т.д. (табл. 14.2).
Таблица 14.2
Технические характеристики виброгрейферов ПВ
Характеристика Величина характеристики для грейфера типа
ПВ 380 ПВ 530 ПВ 820
Диаметр скважины, мм 380... 500 530...800 820...1220
Средняя скорость заглубления в грунт, м/мин 0,8 1,0 1,0
Среднее время разгрузки грунта, с 20 15 15
Усилие извлечения, кН, не более 50 70 120
Высота виброгрейфера в сборе, мм 3800 2950 3100
Масса виброгрейфера без грунта, кг 1000 1300 3000
Мощность электродвигателя, кВт 11 30 30
Особенностями виброгрейферной установки являются: легкость монтажа на любом грузоподъемном средстве с помощью строп; низкая энергоемкость разработки грунтов, поскольку нет необходимости в их разрыхлении; простота замены грунтозаборника в зависимости от формы и размеров сечения. В тресте «Спецтоннелвстрой» (Ленинград) создана экскаваторно-буровая установка на гусеничном ходу ШЭБУ-1. Перечисленное оборудование лишено основных недостатков, присущих оборудованию предшествующих типов (КС-3, «Темп-1», «Темп-2», КПШ-2, КПШ-3) — тросовой подвески, ручного управления, необходимости зачистки забоя и стенок ствола, невысокой эффективности и пр. Дальнейшее совершенствование комплексов предполагает возможность использования АСУ.
Трехъярусный полок. Для устройства гидроизоляции обделок при ремонте и реконструкции стволов с использованием металлоблоков БМ и АМБ (примененных на ст. «Парк Победы» в Москве) разработан специальный механизированный комплекс — трехъярусный полок, позволяющий одновременно вести монтаж обделки из элементов типа БМ и АМБ и внутренних конструкций (горизонтальных ярусов и лестниц). Полок состоит из трех ярусов, соединенных между собой трубами, и подвешивается на четырех канатах к металлоконструкциям двумя лебедками грузоподъемностью 10 т каждая.
Для монтажа обделки комплекс оснащен круговой поворотной балкой («поворотной рукой») с электрической талью, размещенной под вторым ярусом полка, а для монтажа внутренних конструкций — специальной кран-балкой с электрической талью, размещенной под третьим ярусом на круговом монорельсе.
Монтаж обделки и внутренних конструкций производили снизу вверх по мере подъема полка. Спуск и подъем людей осуществляли в бадье БП-1, оснащенной рамкой и прицепным устройством. Рамка передвигалась по канатным направляющим, одновременно являющимся канатами подвески полка. Подача элементов обделки и внутренних конструкций осуществлялась по бадьевому подъему с использованием прицепного устройства бадьи, направляющей рамки и канатов подвески полка. Бетон подавался сверху бетононасосами по бетоноводу. Работы по монтажу обделки БМ и АМБ и внутренних конструкций вели заходками по 3 м в следующей последовательности: центровка и фиксация полка выдвижными упорами в ячейках тюбинговой обделки; подача элементов обделки на третий ярус, перекрепление на электроталь и установка в проектное положение с частичной прихваткой электросваркой и окончательной сваркой после монтажа кольца; обетонирование смонтированных колец; монтаж внутренних конструкций с использованием электрической тали и кран-балки под третьим ярусом полка. После подъема на 3 м операции повторяли.
14.4. Сооружение шахтных стволов погружением крепи в тиксотропной оболочке («рубашке»)
Сущность способа и условия применения. Проходка вертикальных стволов в слабых неустойчивых грунтах длительное время оставалась весьма трудоемким и небезопасным процессом до внедрения способа опускной крепи, при котором основные операции выносятся на поверхность. Впервые он был применен в период Великой Отечественной войны на строительстве IV очереди Московского метрополитена. Однако тогда основной недостаток способа — большие нагрузки трения крепи о грунт — преодолеть не удалось. Этот недостаток был устранен после разработки проф. МИИТа Н.И. Озеровым в 1945 г. способа погружения крепи в тиксотроп
ной оболочке («рубашке») — ПКТО, при котором слой глинистого раствора между погружаемой крепью и грунтом практически полностью снимает сопротивление сил трения. Подробно сущность способа изложена в работах [41, рис. 53; 43, гл. VIII; 53, гл. 15; 93, п. 30.1; 100, ч. 3, п. 1.2; 118] и здесь не рассматривается.
Длительный период (более полувека) для сооружения шахтных стволов способом ПКТО применяли сборные обделки из чугунных и железобетонных элементов и оборудование, приведенное в табл. 14.3.
Таблица 14.3
Перечень необходимого оборудования для реализации способа ПКТО
Оборудование Число ед. Характеристика
Кран К 255 1 Грузоподъемность 25 т
Автосамосвал МАЗ 503 3 Грузоподъемность 7,5 т
Грейфер «Темп 1» 1 Объем 0,6 м3
Глиномешалка 1 Объем 0,65 м3
Насос НФ 4 1
Гидронасос Н 403 1 Расход 2,1 м3/ч; расход 30 МПа
Гидродомкрат Д 60 6
Грунтовый бункер 1 Объем 40 м3
Кубло 2 Объем 0,5 м3
Пневматический сболчиватель 2 ПСГ М27
С помощью этого оборудования звеном из 4 человек (один машинист крана и три проходчика) в смену проходили около 1 м ствола.
Сооружение ствола с обделкой из монолитного железобетона.В условиях формирующихся рыночных структур особую остроту приобрела экономическая сторона вопроса, где определяющей стала цена на энергоносители, материалы и оборудование. Именно в этих условиях целесообразность замены чугунных тюбингов на монолитный железобетон стала очевидной — стоимость материалов при этом снижается более чем в 12 раз.
Поиск новых и анализ отработанных на практике прогрессивных технических решений по совершенствованию технологии сооружения шахтных стволов способом ПКТО послужили основанием для разработки ряда технологических вариантов, базирующихся на применении монолитной железобетонной и бетонной крепей. Основные элементы указанных вариантов, прошедшие проверку практикой, признаны изобретениями, что
в определенной мере характеризует новизну и технический уровень этих разработок.
Монолитную крепь возводят в опалубке, установленной стационарно на поверхности. При этом перемещается (погружается) возводимая конструкция крепи, а опалубка находится в неподвижном состоянии относительно уровня укладки бетонной смеси и установки арматурного каркаса, что является принципиальной новизной технологии. Поскольку передавать усилия домкратов на бетон в раннем возрасте его твердения нельзя, требуется значительное время для набора необходимой прочности, что отражается на скорости погружения крепи. Чтобы избежать этого, предусмотрено передавать домкратную нагрузку на став замоноличенных в бетоне труб, которые опираются на ножевое кольцо. Наличие этих труб в теле бетона, а также приваренного к трубам арматурного каркаса позволяет сформировать эффективную железобетонную конструкцию крепи ствола. Трубы, на которые передается домкратная нагрузка, наращиваются в каждой секции погружаемой крепи.
Трубы могут быть использованы для ликвидации возможных затруднений при пересечении контактных зон грунтов. Через трубы для упора домкрата можно в случае необходимости осуществить инъекцию закрепляющих растворов, размыв плотных прослоек, расчленение твердых включений с применением небольших зарядов взрывчатки. Для этого в нижней части трубы, установленной на ножевом кольце, закрепляют трубу меньшего диаметра, выходящую за пределы ножевого кольца, чтобы через нее можно было выполнять эти работы. В практике проходки шахтных стволов способом опускного колодца известны примеры использования такого технического решения.
Для обеспечения прочностных параметров опускной крепи конструкция арматурного каркаса выполняется из арматурных стержней, которые приваривают к трубам для упора домкратов. Таким образом получается жесткая кольцевая связь по всему контуру крепи, что обеспечивает восприятие значительных растягивающих и изгибающих напряжений, которые могут возникнуть в ходе погружения крепи, особенно при исправлении перекосов.
Водонепроницаемость опускной крепи из монолитного железобетона обеспечивается наличием тиксотропного раствора из бен
тонитовой глины между крепью и грунтовым массивом. После погружения крепи бентонитовый раствор в этом кольцевом зазоре защемляется бетонными поясами. В верхней части крепи такой пояс выполняют из слоя бетона, уложенного на тиксотропный раствор; в нижней части крепи функцию пояса выполняет кольцо из уложенного на ножевое кольцо слоя плотной глины, образующей уплотняющую манжету.
На рис. 14.9 приведены схемы сооружения ствола в неустойчивых грунтах зоны покровных отложений с применением монолитной железобетонной крепи в тиксотропной оболочке и в неустойчивых скальных грунтах буровзрывным способом применительно к практике метростроения, где поверхностный комплекс оснащается цилиндрическим копром из чугунных тюбингов, который после выполнения работ демонтируется.
В сложившейся практике сооружения шахтных стволов способом ПКТО для восприятия реактивных нагрузок, создаваемых домкратной системой, предусматривают специальные опорные ворот-ники-форшахты, в которые замоноличивают балочные или иные конструкции для подвешивания домкратной системы.
При строительстве шахтных стволов с оформлением специальной форшахты домкратную систему закрепляют на консольных конструкциях, заанкеренных в бетон форшахты.
Примером многовариантности конструктивно-технологических решений может служить разработка приспособлений для подвески и упора домкратных систем, примененных на многих строительных объектах (рис. 14.10).
Использование тиксотропной оболочки и домкратной системы, создающей активную регулируемую нагрузку на крепь, позволяет осуществлять погружение последней независимо от дебита подземных вод и гидростатического напора, поскольку разработка забоя ведется методом подводного землечерпания без откачки воды.
В разработанных технических решениях, связанных с конструкцией опускной крепи, существуют различные варианты систем подвески гидроцилиндров. В практике отработаны три основных варианта опорных систем: монолитные железобетонные контрфорсные воротники-форшахты с замоноличенными балочными системами, к которым подвешиваются гидроцилиндры; опорные конст-
н
76, 17
15
12
13
14
24
25
1
2
I3
я
4
5
6
7
8
9
10
11
4 4 Й
Рис. 14.9. Схема сооружения ствола способом ПКТО: в неустойчивых грунтах: гидродомкрат; 2 кон
а
1
сольная конструкция для упо ра гидродомкратов; 3 канат
подвески опалубки; 4 внутренняя отрывная опалубка; 5 наружная неподвиж
ная опалубка; 6 направляющий брус; 7 бетонное кольцо ограждающий воротник; 8 двутавровая балка шпунтовая свая; 9 отрезки труб для упора домкратов; 10 бетон опускной крепи; 77 тиксотропный раствор; 12 уплот
нительная манжета глинистый замок; 13 инъекционная труба; 14 ножевое кольцо; 75 грейфер; 76, 77 арматурный каркас, крепь ствола; 18 самоход ный кран для подвески грейфера; б в твердых грунтах: 19 шахтный копер тюбингового типа; 20 подъемная машина; 21 приемный бункер; 22 бетоно вод; 23 расстрелы; 24 труба бетоновода; 25 подвесная переставная опалубка
I
II
Рис. 14.10. Приспособления для подвески и упора домкратных систем:
I схемы опорных конструкций балочного и консольного типов; II то же, двухконсольного и шарнирного типов; а двухконсольная балка, скреплен ная с шарнирной опорной конструкцией; б то же, с дополнительным шарни ром для поворота вокруг вертикальной оси; в закрепление опорной конст рукции в желобчатом направляющем брусе для возможности исправления пере коса крепи; г то же, углового типа внутри опорного воротника; д опорная конструкция, перемещающаяся в вертикальном направлении
рукции с забивкой металлических свай по контуру погружаемой крепи в местах установки гидроцилиндров; инвентарные опорные конструкции многоразового использования, выполненные из железобетонных или металлических угловых блоков с шарнирными двухконсольными опорами для подвески и упора гидроцилиндров и восприятия реактивной нагрузки.
Наиболее рациональны опорные конструкции свайного типа, а также инвентарные из угловых элементов (рис. 14.11). Применение
Рис. 14.11. Опорная конструкция инвентарного типа:
I сборно разборная угловая опора; 2 двухконсольная опора; 3 шар нирное крепление; 4 гидроцилиндр; 5 анкерное крепление опоры; 6 пригруз для восприятия реактивной нагрузки; 7 рабочий кольцевой полок;
8 опускная крепь
таких конструкций позволяет значительно сократить объемы земляных работ и последующего устройства опорного воротника с объемом железобетона 500—600 м3, что равноценно расходу бетона на крепь ствола глубиной 60—70 м.
Сваи из двутавровых балок после окончания погружения крепи могут быть извлечены, тогда как опорный железобетонный воротник остается в грунте.
Уже рассмотрены решения, связанные с сооружением только верхней части шахтного ствола в зоне неустойчивых и водоносных грунтов, однако целесообразно использовать монолитно-бетонную крепь по всей глубине ствола. В практике сооружения шахтных стволов эта проблема решена однозначно: крепь возводится снизу вверх заходками с шагом продвигания забоя 2—4 м с подачей быстро-твердеющей бетонной смеси по трубам в передвижные инвентарные металлические опалубки, подвешенные на канатах. При этом согласно нормам прочность бетона должна быть не ниже 80 Н/см2, что позволяет достигать темпа 1 цикл/сут.
Сдерживающим фактором внедрения монолитной бетонной крепи в вентиляционных стволах метрополитенов является водопроницаемость бетона. Одним из решений, обеспечивающих водонепроницаемость железобетонных обделок, является устройство металлической оболочки-обечайки (наружной, внутренней или двухсторонней). В этом случае частично или полностью отпадает необходимость в опалубке.
Совершенствование технологии сооружения шахтных стволов продолжается. Пока отсутствуют конкурентоспособные решения для сооружения неглубоких и верхних частей стволов большой протяженности в водоносных грунтах.
Сооружение стволов с «фундамент-опорной» конструкцией устья. Существующая технологическая схема ПКТО в некоторых случаях не учитывает ряд особенностей, характерных для сооружения и эксплуатации шахтных стволов, когда на поверхности возводят многочисленные временные сооружения различного назначения, а в районе устья ствола — фундаменты наземных сооружений и каналы технологического назначения с глубиной заложения 8—10 м и более.
В настоящее время фундаменты надшахтных зданий и башенных копров при условии применения специальных методов сооружают после проходки ствола на проектную глубину. Наибольший интерес при этом представляют фундаменты монолитной плиты, параметры и конструкции которых зависят от массы и габаритов наземных сооружений. Технология их строительства отличается простотой и низкой трудоемкостью. Кроме того, важным является возможность регулирования массы фундаментов такого типа. Основанием такого фундамента служит массивная железобетонная плита толщиной 1,5—2,8 м. С учетом применения такого фундамента разработана универсальная конструкция, выполняющая функции опорного воротника и фундамента, — «фундамент-опорная» конструкция.
В результате расчетов получены такие параметры «фундамент-опорной» конструкции, м: толщина монолитной железобетонной плиты — 0,7; наружных ребер (стен-балок) — 0,4; внутренних стен-балок — 0,8; минимальная высота ребер (стен-балок) без учета толщины плиты — 4,2 (рис. 14.12).
б
Рис. 14.12. «Фундамент опорная» конструкция (а) и технологическая схема сооружения устья ствола методом ПКТО (б):
1 монолитная железобетонная плита; 2 наружные балки стены; 3 место расположения узла приготовления бетона; 4 внутренние балки стены диа метром D (0,5 0,7 м) + dn к, где dn к наружный диаметр погружной кре пи; 5 угловые опоры; 6 бетонная погружная крепь; 7 кольцевая опалубка;
8 гидравлические домкраты
Таким образом, размеры новых фундаментов практически не превышают размеров существующих конструкций, а требуемая толщина плиты в 2—4 раза меньше, чем в применяющихся фундаментах. «Фундамент-опорную» конструкцию можно эффективно использовать при сооружении шахтных стволов, включая проходку с применением временных копров. Конструкция фундамента при этом не изменится, а в качестве опор для проходческого копра можно использовать внутренние балки-стенки либо трубчатые удлиненные опоры, замоноличенные в плиту фундамента.
Одной из важнейших особенностей «фундамент-опорной» конструкции, сооружаемой в подготовительный период строительства, является возможность размещения в ней складов инертных и приствольного бетонного узла, который обычно сооружают только в период строительства шахтного ствола. Размещение его в фундамен
те позволяет использовать бетонный узел в первом и втором периодах строительства. При этом исключается демонтаж механической части приствольного бетонного узла в переходные периоды.
Проходка стволов способом опускной крепи с буровой выемкой грунта. При сооружении стволов в неустойчивых грунтах, включающих участки полускальных и скальных грунтов с прочностью до 5 МПа, одним из перспективных направлений является буровой метод их разработки. Способ опускной крепи успешно конкурирует с замораживанием и бурением, при этом можно проходить стволы на глубину 200 м и более [103, ч.1, ч.З, гл. 6].
Для проходки стволов способом бурения эффективны буровая выемка грунта по всей площади сечения и ударно-канатное бурение с обратной промывкой. При ударно-канатной выемке долото перемещается по забою и обеспечивает вертикальность выработки, разрушая крепкие прослойки грунтов и включения. Сопоставление единичных расценок на бурение скважин показывает, что в мягких грунтах, включая глины, мергель и мел низкой прочности, стоимость ударно-канатной выемки примерно в 1,4 раза меньше, чем выемки роторной передвижной установкой, а в грунтах большей крепости — во столько же раз дороже, но вчетверо дешевле выемки установкой реактивно-турбинного бурения, широко применяемого в отечественной угольной промышленности. Для буровой ударно-канатной выемки грунта в опускной крепи ствола любого диаметра разработан мобильный буровой комплекс (рис. 14.13).
В этом случае буровая выемка грунта осуществляется ударами перемещаемых по забою (с перекрытием зон действия) плоских ударных долот, поднимаемых и сбрасываемых ударно-канатными станками. Образующаяся грунтоводяная пульпа выдается эрлифтом. Вначале разрабатывается кольцевая траншея у ножа опускной крепи, а затем теми же долотами, но опущенными отвесно без направляющих рамок, разбуривается выступ.
Вертикальность спуска крепи периодически контролируется по наклону каната с фонарем-центратором, опущенным в колонну пульпо-эрлифта. Отклонения крепи можно устранить, прекращая работу части станков или изменяя наклон долот.
В мягких грунтах подрабатывают нож крепи до спуска ее под действием собственной массы. Перед подходом к грунтовой прослойке или
12
11
10
14
13
Рис. 14.13. Комплекс для буровой ударно канатной выемки грунта в опускной крепи:
1 горнопроходческий копер; 2 поворотный сектор платформы; 3 двухбарабанная лебедка; 4 возврат но поворотная шкивная платформа;
5 компрессор; 6 полок; 7 тиксотропная оболочка; 8 направляющая рамка; 9 керноразрушитель; 10 ударное плоское долото;/7 долотная направляющая; 12 опускная крепь; 13 опалубка; 14 колонна труб пульпо эрлифта; 75 пульпоотстойник
водоупорному слою, в которых масса крепи оказывается недостаточной для среза ножом уступа грунта шириной 10 см, в бетон крепи закладывают опорные элементы и применяют гидродомкраты. Ударные долота для комплекса рекомендуется изготавливать из толстолистовой стали, снабжать проушинами для канатной подвески через коуш, направлять и восстанавливать изношенное лезвие долота релитом.
Производительность комплекса, включающего в себя четыре самоходных станка БС-2, обеспечивает опускание крепи ствола в мяг
ких (до f- 2) грунтах со скоростью более 100 м/мес. Мощность привода станка 75 кВт, масса долота 3,5 т.
Применение способа опускной крепи с буровой выемкой грунта и рекомендуемого комплекса позволит существенно ускорить и удешевить строительство шахтных стволов.
Сооружение стволов метрополитена комбинированным способом. При строительстве Сырецко-Печерской линии Киевского метрополитена в слабых неустойчивых водонасыщенных грунтах разработана и впервые применена при проходке ствола № 221 новая комплексная технология, включающая в себя обычный способ проходки ствола (выше водоносного горизонта) и метод продавливания в тиксотропной оболочке с гидравлическим пригрузом (на уровне и ниже водоносного горизонта).
До отметки водоносного горизонта (14 м) проходку ствола диаметром 6 м вели горным способом с разборкой грунта отбойными молотками на величину 1 м и выдачей его грейфером с объемом ковша 1 м3, размещенным на кране типа КС-5363. После выемки грунта выполнили монтаж (14 колец обделки из чугунных тюбингов) и устройство предохранительного (верхнего) и рабочего (нижнего) полков с проемами для пропуска грейфера.
В дальнейшем разработали грунт по внешнему контуру обделки на глубину 2,3 м. При этом в центре забоя было создано опережение диаметром 4 м на глубину 1 м, а по фланцу 14-го кольца обделки установлены прижимные стальные планки толщиной 20 мм. После этого перпендикулярно к оси ствола прошли боковую штольню трапециевидного сечения высотой 2,3 м и длиной 3 м с установкой крепежных рам и их затяжкой обрезными досками в кровле и боках выработки. Размеры рам поверху составляли 2,74, а понизу — 3,19 м. По кругу на отметке 16,3 м заходками по 2 м прошли кольцевую штольню (нишу) с креплением кровли и боков забоя полурамами и затяжкой из обрезной доски толщиной 40 мм. В штольне установили монтажную лебедку, а к кольцу тюбинговой крепи с накладками подвесили 8 гидроцилиндров, смонтировали гидросистему и маслостанцию. После разработки грунта выемки глубиной 1,7 м и диаметром 1,2 м при помощи крана и монтажной лебедки собрали ножевую часть и на ней — первое кольцо обделки. При этом нож с высокой точностью выставляли в плане и профиле. Подработав
грунт на величину заходки, нож с первым кольцом обделки опустили на 1 м и смонтировали второе кольцо, устанавливая направляющие (8 шт.) и бетонируя промежуточный оголовник. Затем собрали проходческий полок, а в кольцевой нише смонтировали коллекторную сеть гидропромыва и подачи бентонитовой суспензии.
В соответствии с принятой технологией далее проходку ствола вели в тиксотропной оболочке. Грунт разрабатывали грейфером подводным способом. При помощи 8 гидроцилиндров, расположенных на границе кольцевой ниши, производили задавливание сборной крепи. После проходки на 1 м с монтажного полка лебедкой или краном собирали очередное кольцо обделки. По фланцам между кольцами обделки производили гидроизоляцию из одного слоя гидро-стеклоизола. Кроме того, выполняли зачеканку (законопачивание) монтажных (межтюбинговых в кольце и межкольцевых) швов и устанавливали тюбинговые пробки. При помощи ручных лебедок, размещенных на перекрытии устья ствола, перемещали проходческий полок на смонтированное кольцо. Далее цикл повторяли.
Разработанная технология и ее технико-экономические показатели сравнивали с технологией продавливания крепи ствола № 222 с поверхности. Как оказалось, новая технология имеет существенные преимущества: исключается большой объем земляных и бетонных работ при строительстве воротника и самой форшахты; появляется возможность продавливать обделку на большую глубину в сравнении с традиционным способом погружения колодца с поверхности; сокращается объем металлоконструкции и работ по их монтажу для обустройства продавливающей установки. Однако одним из главных факторов выбора новой технологии проходки в сложных условиях является эффективное продавливание части ствола без увеличения числа гидроцилиндров.
Для проходки ствола № 220 в районе ст. «Герцена» Сырецко-Печерской линии с учетом особого места ее расположения (с тыльной стороны здания Института международных отношений) была запроектирована технология строительства комбинированным способом в два этапа с применением буронабивных свай. Свайные работы выполняли по специальной технологии, разработанной АО «Трансмост», с применением способа «стена в грунте» из секущих бетонных и железобетонных свай. Технология основана на бурении скважин диаметром 1020 мм с обсадной трубой внутренним диаметром 820 мм. Глубина скважин составляет 36 м, а сооружаемого ствола
на первом этапе 32,1 м. Скважины располагали по концентрической окружности диаметром 9800 мм.
После выполнения всех работ по созданию защитной стенки из секущих буронабивных свай производилась выемка грунта с помощью строительного крана и грейферного выемочно-погрузочного органа.
Проходка ствола с глубины 32,1 м осуществлялась по следующей технологии. К закладным деталям в буронабивных сваях приваривали консоли с укосинами, к которым крепили гидродомкраты для задавливания ножевой секции. После ухода ножевой секции в грунт на высоту кольца на ней монтировали железобетонные тюбинги диаметром 6,1/5,6 м и вели выемку грунта грейферным краном. Задавливание колец крепи с ножевой секцией проводилось комбинированным методом, включая способ опускных секций (колец) в тиксотропной оболочке с внешней стороны крепи и гидро-пригруза внутри ствола. После достижения проектной глубины ствола на промежуточный оголовок последовательно до самого устоя наращивали железобетонные кольца и засыпали пространство между ними и буронабивными сваями песком.
Разработанная технология имеет следующие преимущества: кольцевая стена из буронабивных свай полностью исключила деформации основания и фундамента важнейшего объекта — корпуса Института международных отношений; исключен процесс забивки свай, сопровождающийся ударными динамическими нагрузками на основание, фундамент и здание и шумовыми эффектами при его реализации; наращивание колец крепи ствола производилось с промежуточного устройства без опускания ее в забойную часть, что нельзя было осуществить при наличии гидравлического пригруза (на 1 м выше уровня грунтовых вод) в стволе.
Внедрение новых разработанных технологий проходки стволов позволило достичь высоких технико-экономических показателей без опасных деформаций грунтового массива вблизи важных объектов.
14.5. Проходка стволов с применением шагающих комплексов
Сооружение ствола со спуском грунта через скважину. Использование гидравлических породопогрузочных машин с принудительным внедрением в породу способствует повышению технико-экономи-
ческих показателей сооружения вертикальных стволов, однако этому типу машин присущ один общий недостаток — опалубка и погрузочная машина подвешиваются на лебедках, что увеличивает время их перестановки на следующую заходку. Оптимальным вариантом является отделение проходческого оборудования от поверхностного комплекса, т.е. создание шагающего агрегата, опирающегося на забой и примыкающие участки ствола; отказ от тяжелых лебедок для подвески полка и погрузочной машины с опалубкой для возведения крепи.
Ленинградским отделом СКТБ Главтоннельметростроя совместно с ТО № 3 Ленметростроя разработан и реализован проект производства работ по проходке шахты № 319 4-го участка Московско-Петроградской линии метрополитена, предусматривающий спуск грунта через скважину, пробуренную заранее в венттоннель, монтаж укрупненных элементов постоянного обустройства ствола и использование его в качестве армировки при проходке.
Ствол шахты (рис. 14.14) сооружали с применением замораживания в зоне неустойчивых четвертичных отложений и обычным
Рис. 14.14. Технологическая схема сооружения ствола:
1 лебедка; 2 ось барабана; 3 тельферная эстакада; 4 постоянное обустрой ство ствола; 5 шагающий проходческий полок; 6 скважина для спуска грунта; 7 приемный лоток; 8 погрузочная машина; 9 проем для прохода к лестнице; 10 то же, для спуска людей, тюбингов и материалов; 11 ось подъема; 12 ось ствола; 13 проем для спуска звеньев постоянного обустройства ствола
способом в протерозойских глинах. Скважину для спуска грунта бурили по центру ствола со смещением на 50 см по его оси в сторону, противоположную выходу на трассу.
Горный комплекс состоит из тюбингового копра высотой 10 м, где размещается подъемная лебедка, и тельеферной эстакады. Высота копра определилась из условия работы только на одном горизонте, нулевом, с которого подаются тюбинги, материалы и осуществляется спуск людей. На этом горизонте предусмотрен специальный проем, перекрытый лядой, для транспортировки укрупненных элементов постоянного обустройства ствола.
В форшахте и частично в копре смонтировали шагающий проходческий полок. Его применение исключило использование лебедок для перемещения полка, позволило вести работы на двух горизонтах и повысить безопасность работ. После проходки первых 10 колец ствола собиралось верхнее звено постоянного обустройства, площадка которого соединена лестницей с верхним ярусом полка. Забой разрабатывали заходками на глубину 1 м: вначале ядро, затем — боковые штроссы секторами к наружному контуру, участками по два тюбинга.
Грунт спускали по скважине D - 426 мм, устье которой было перекрыто съемной воронкой с решеткой из двух стержней арматуры. Грунт поступал на приемный лоток, обшитый металлическим листом, с которого породопогрузочной машиной перегружался в вагонетки. Емкость приемного лотка обеспечивала независимость транспортировки породы от ее разработки. Для прочистки скважины было предусмотрено устройство из троса с ершиком и двух лебедок. Одна из них была установлена на нижнем ярусе полка, другая — в венттоннеле.
Обделка монтировалась тельфером, расположенным на нижнем ярусе проходческого полка. Первичное нагнетание цементно-песчаного раствора осуществлялось в первое установленное кольцо и заканчивалось до начала сборки очередного. Контрольное нагнетание велось в 6-е или 7-е кольцо от забоя, затем вели чеканку с верхнего и среднего ярусов проходческого полка. Спуск звена осуществляли двумя лебедками, одна из которых установлена на поверхности у ствола, другая — на верхнем ярусе полка.
Работа в забое была организована в три 7-часовые смены по 8 чел. в каждой. По циклограмме за 5 смен сооружали 3 м готового ство
ла. Такая технология позволила значительно сократить срок строительства вентиляционного ствола, уменьшить объем работ по монтажу горного комплекса и исключить временную армировку ствола.
Проходка ствола с применением шагающего полка ПШП-1. Технология проходки ствола с армировкой для будущего клетьевого подъема и совмещением процессов гидроизоляции с разработкой грунта и монтажом обделки была применена на шахте № 530 первого участка Правобережной линии Ленинградского метрополитена. Технология разработана отделом СКТБ ГТМ совместно со СМУ-11 Ленметростроя.
Ствол шахты проходили с применением замораживания (в зоне неустойчивых четвертичных отложений) и обычным способом. Обделка — чугунная, диаметром 6 м.
Во время замораживания грунтов монтировали горный комплекс. Для проходки ствола применили трехъярусный шагающий полок, конструкция которого обеспечивала использование двухбадь-евого подъема с двумя машинами.
Монтаж горного комплекса, проходческого полка и обустройство поверхности завершили до окончания процесса замораживания. Полок монтировали в пределах копра и форшахты. Грунт разрабатывали заходками на глубину 1 м с устройством опережающего зумпфа — от центра ствола секторами к наружному контуру, участками для двух тюбингов. Грунт выдавали двумя бадьями емкостью по 1 м3. На рабочем горизонте горного комплекса бадью устанавливали на специальную тележку и подавали в опрокидыватель.
После завершения монтажа очередного кольца проводили первичное нагнетание цементно-песчаного раствора. Контрольное нагнетание и чеканку швов вели с верхнего и среднего ярусов проходческого полка постоянно и прекращали только на время монтажа армировки ствола и передвижки полка. Ярусы армировки устанавливали с шагом 3 м. Ее монтаж вели с верхнего яруса проходческого полка.
Расстрелы подавали к месту установки по лесопуску и укладывали на верхнем ярусе полка, затем с помощью подъемной машины устанавливали на заранее смонтированные столики. Параллельно обшивали лесоспуск, лестничное отделение, наращивали провод
ники, после чего полок передвигали и начинали разработку забоя на очередную заходку.
В процессе сооружения был опробован полок с новым принципом шагания за счет «плавающего» промежуточного яруса. Сборно-разборный каркас полка состоит из двух ярусов: нижнего и верхнего, жестко соединенных между собой направляющими стойками («лыжами»). Внутри каркаса расположен средний, подвижный ярус. На нижнем и среднем ярусах предусмотрены четыре горизонтальных стопора для фиксирования полка в стволе (рис. 14.15).
Верхний и средний ярусы связаны вертикальными силовыми цилиндрами, размещенными по периферии под углом 120°. Это обеспечивает самостоятельное шагание полка по стволу без использования подъемных машин с канатами. Гидропривод и пульт управления установлены на среднем ярусе. Полок оснащен звукосветовой сигнализацией, связанной с забоем и рабочим горизонтом горного комплекса на поверхности. К нижнему ярусу подвешено устройство для монтажа обделки.
Рис. 14.15. Полок шагаю щий двухбадьевой:
1 верхний ярус; 2 «лыжа»; 3 направляющая для бадьи; 4 средний ярус; 5 насосная станция; 6 пульт управления; 7 гидро цилиндр шагания; 8 ниж ний ярус; 9 монорельс коль цевой; 10 пульт сигнализа ции; 11 стопор; 12 ляды;
13 таль электрическая
Скорость проходки ствола составила 1,5 м/сут в соответствии с заложенной в циклограмме, а максимально достигнутая скорость — 2,4 м/сут, что свидетельствует о резервах принятой технологии. Применение двухбадьевого и трехъярусного шагающего полка позволило сократить сроки сооружения ствола, а устройство в процессе проходки постоянной армировки — сэкономить время на монтаж по переоборудованию ствола для двухклетьевого подъема. Полок шагающий проходческий типа ПШП-1 имеет наибольший размер по высоте 10,37 м и массу 10 т.
Возведение монолитной крепи ствола шагающим комплексом ЦНИИподземмаша. Сооружение неглубоких (до 15 м) шахтных стволов в метро- и тоннелестроении ведут в основном с помощью высокопроизводительных экскаваторов. При этом средние скорости проходки, как правило, не превышают 0,5—0,6 м в смену, что обусловлено в первую очередь отсутствием средств механизации для крепления стен.
С целью совершенствования средств и способов крепления стволов ЦНИИподземмашем разработана документация на комплекс шагающий для возведения монолитной крепи стволов «КСБ-1» (рис. 14.16, а). Он предназначен для механизированного сооружения монолитной бетонной крепи стволов диаметром 7 м в свету (7,6 м в проходке) в грунтах естественной влажности с коэффициентом крепости/< 1,2 в условиях городской застройки.
Трехсекционная облегченная опалубка рассчитана на возведение монолитной бетонной крепи заходками по 1 м по совмещенной схеме. Секции соединены между собой опорами жесткости и гидродомкратами отрыва опалубки от бетона крепи; на каждой из них расположены съемные поддоны и приварены кронштейны с шарнирами для крепления гидродомкратов перемещения.
Нож-уплотнитель предназначен для разработки породной бермы по периметру ствола диаметром в проходке 7,6 м, оформления стенок ствола с одновременным их уплотнением и выполнения функций поддона опалубки. Нож состоит из шести сболченных секций с приваренными к ним кронштейнами для крепления гидродомкратов перемещения. Общая масса опалубки — около 6 т.
Оборудование для приема бетонной смеси, подачи в ствол и транспортирования по нему, а также укладки ее за опалубку включа-
484
Рис. 14.16. Шагающие комплексы ЦНИИподземмаша:
а — комплекс КСБ-1; 6 — комплекс КШБ-1; 1 — опалубка шагающая; 2 — нож-уплотнитель; 3 — оборудование для подачи бетона в ствол; 4 — гидрооборудование; 5 — насосная станция; 6 — экскаватор; 7 — гидродомкраты передвижки; 8 — шарниры; 9 — гидродомкрат горизонтального распора; 10 — то же, вертикального; 11 — подъемная установка; 12 — оборудование для подачи бетонной смеси; 13 — рама горизонтального распора; 14 — стойки; 15 — центральная опора; 16 — кронштейны; 17 — погрузочная машина; 18 — шагающая опалубка; 19 — нож-уплотнитель
ет в себя: бункер, воронку, металлический бетоновод. Последний подвешивают в стволе на канате лебедки и наращивают по мере проходки (возможно крепление бетоновода к стенам ствола). На поверхности устанавливают приемный бункер, а также насосную станцию, которую посредством гидрокоммуникаций связывают с гидро домкратами отрыва и перемещения опалубки.
Сооружение ствола с помощью комплекса КСБ-1 начинают с устройства воротника (устья). Для этого экскаватором отрывают котлован проектных размеров. Одновременно на поверхности собирают нож-уплотнитель и шагающую опалубку, оборудуют насосную станцию и гидрокоммуникации. После выравнивания дна котлована на него краном устанавливают и центрируют нож-уплотнитель, на который опускают опалубку, монтируют гидродомкраты и присоединяют гидрокоммуникации. Затем наружную поверхность ножа закрывают толем. Изолировав его таким образом от возможного последующего схватывания с бетоном, приступают к бетонированию нижней части воротника. Смесь подают за опалубку из подвешенной на кране бадьи или бетононасосом. После укладки на высоту ножа и опалубки бетон выдерживают 4—5 ч.
Забетонировав воротник ствола, грейферным оборудованием осуществляют выемку грунта ядра забоя на глубину заходки. По периметру забоя оставляют породную берму шириной 200—400 мм в зависимости от устойчивости пересекаемых пород. Залавливают нож-уплотнитель, выдвигая штоки гидродомкратов перемещения, причем опалубка в это время удерживается на месте за счет распора в бетон крепи.
Благодаря конусности поверхности нож, перемещаясь, срезает породу бермы с одновременным уплотнением грунта обнажаемых стен ствола. При этом увеличивается время устойчивости последних до 12 ч и более. Этого достаточно, чтобы переставить опалубку и уложить бетонную смесь. Появляется также возможность получить временную деревометаллическую крепь, функции которой теперь выполняют уплотненные породные стены.
После задавливания ножа с одновременным уплотнением последних опалубку отрывают от бетона, опускают гидродомкратами перемещения на нож, устанавливают в положение для бетонирования и осуществляют его. Продолжительность цикла — 7 ч. Комплекс обслуживает звено из 4 чел.
Комплекс предназначен для механизированного сооружения по совмещенной схеме неглубоких стволов (устьев) с крепью из монолитного бетона или железобетона.
Той же группой конструкторов разработан проект комплекса КШБ-1 для сооружения стволов диаметром 5,5 м с монолитной бетонной крепью в мягких грунтах (рис. 14.16, б).
С помощью КШБ-1 можно проходить стволы глубиной до 40 м, при этом забой разрабатывается гидравлической с принудительным внедрением погрузочной машиной со сменным (ковшом или грейферным) органом. После успешных испытаний КШБ-1 рекомендован к серийному производству. При работе забойного звена в составе двух проходчиков среднемесячная скорость может достигать 100 м/мес.
Комплекс КШБ-1 обеспечивает применение совмещенной схемы ведения работ. При этом основные операции выемки породы и возведения постоянной монолитной крепи выполняются последовательно. Схема этапов сооружения ствола представлена на рис. 14.17.
Цикл начинают с разработки грунта ядра на величину заходки (рис. 14.17, а), оставляя грунтовую берму по периметру ствола. Ширина ее колеблется от 200 до 400 мм в зависимости от устойчивости пересекаемого массива. Затем залавливают нож-уплотнитель, который при этом срезает и направляет к центру забоя грунт бер-
Рис. 14.17. Этапы сооружения ствола проходческим комплексом КШБ 1: а... в этапы
мы, одновременно оконтуривая и уплотняя стены ствола (рис. 14.17, б). Третья фаза (рис. 14.17, в) включает в себя отрыв опалубки от бетона крепи предыдущей заходки; снятие горизонтального распора рамы; перемещение на гидро домкратах шагания одновременно опалубки, рамы и центральной опоры с породопогрузочной машиной на следующую заходку; разжатие опалубки, распор рамы и бетонирование, после чего производят вертикальный распор комплекса и начинают выемку грунта очередного цикла.
Выбор технологии и основных параметров оборудования комплекса КШБ-1 обусловлен горногеологическими, технико-эксплуатационными и экономическими требованиями.
Применение шагающих комплексов ВПТИтрансстроя. Отделом инженерных сооружений ВПТИтрансстроя были предложены новые конструкции оборудования для проходки в грунтах с крепостью f = 0,8...8 вертикальных стволов с обделкой из монолитного бетона или железобетона: комплексы шагающие с опиранием на забой КШС и КСУ.
Комплексы могут работать по двум технологическим схемам: с выдачей породы на поверхность в транспортных сосудах и со спуском породы через пробуренную по центру ствола передовую скважину на подходящую горизонтальную или наклонную выработку.
Одной из особенностей комплексов является шагающий принцип перемещения забойного оборудования с одновременным опусканием опалубки, проходческого полка и бурильной машины.
Интересная конструктивная разработка шагающей опалубки была предложена Криворожским филиалом ВНИИОМШСа. Опалубка секционного типа, разработанная для восьми диаметров стволов от 4,5 до 8,0 м, состоит из двух основных узлов, соединенных между собой демпферными устройствами: собственно опалубки 7 и несущего кольца 2. Несущее кольцо и опалубка перемещаются в стволе поочередно (рис. 14.18).
При перемещении опалубки на следующую заходку несущее кольцо занимает соответствующее положение в предыдущей за-ходке и с помощью ригелей 4, передвигаемых пневмоцилиндрами 5, удерживается в лунках бетонной крепи, образуемых при помощи шарнирных выступов на наружной стороне опалубки.
a
б
в
Рис. 14.18. Этапы перемещения шагающей секционной опалубки: а исходное положение; б перемещение опалубки на новую заходку и
бетонирование обделки; в лунках на новой заходке; 1 крат; 4
опускание несущего кольца и закрепление его в опалубка; 2 несущее кольцо; 3 гидродом
ригель; 5 пневмоцилиндр
Спуск опалубки и несущего кольца производят с помощью гидродомкратов 3. Управление шагающей опалубкой — дистанционное. После опускания опалубки на взорванную породу забоя она центрируется и раскрепляется в породу, устанавливаются шарнирные выступы и производится бетонирование. Перед заряжанием и взрыванием зарядов ригели, поддерживающие опорное кольцо, выдвигаются из лунок, и кольцо опускается под собственным весом. Затем ригель вновь выдвигается в лунки, и раскрепляется кольцо. Во время опускания опорного кольца опалубка удерживается на крепи ствола силами сцепления ее с бетоном, а также шарнирными выступами, входящими в лунки.
Применение проходческого оборудования, оснащенного механизмами шагания, позволит отказаться от использования проходческих лебедок для его подвески, что значительно упростит и снизит стоимость оснащения ствола.
14.6. Современные технологические схемы сооружения шахтных стволов
Совмещенная и параллельно-щитовая схемы проходки шахтных стволов. В отечественной практике вертикальные шахтные стволы, в основном, проходят буровзрывным способом по совмещенной технологической схеме, при которой опалубку для возведения бетонной крепи устанавливают на взорванный грунт, что исключает необходимость временной крепи, поддона у опалубки и уплотнения зазора между поддоном и грунтовой стенкой ствола.
В некоторых случаях проходка стволов осуществляется по параллельно-щитовой схеме, при которой бетонную крепь возводят с проходческого полка.
Отставание бетонной крепи от забоя при параллельной схеме проходки требует защищать проходчиков временной крепью (или щитом). Исследования и опыт применения новоавстрийского метода проведения горных выработок показали преимущества набрызгбетонной крепи, так как при ней лучше используется несущая способность массива. При этом одна из главнейших задач — всемерное сохранение естественной прочности массива. Следует по возможности предотвращать разрыхление грунтов, поскольку оно приводит к значительной потере их прочности.
При значительных деформациях массива временная крепь должна сооружаться на всей породной поверхности выработки.
Нанесение тонкого (1—5 см) слоя набрызгбетона позволяет значительно легче, чем при возведении крепи с помощью установки анкеров и сетки, механизировать и автоматизировать работы по возведению временной крепи с совмещением уборки породы в забое ствола, в то же время исключается расход металла.
Опыт применения в отечественной практике параллельно-щитовой технологической схемы проходки стволов показал, что при высоких скоростях проходки набрызгбетонную крепь можно не применять или наносить ее с проходческого полка на значительном расстоянии от забоя, ограждая проходчиков в забое от падения породы со стенок ствола средствами, не требующими затрат труда проходчиков и времени проходческого цикла. При этом щит-оболочку при параллельной проходке целесообразно заменить легкой каркасно-пластинчатой временной крепью, быстро устанавли-
Рис. 14.19. Каркасно пластинчатая крепь: а рабочее положение крепи; б по ложение крепи в момент взрыва породы; 1 трубчатые кольца; 2 пластинчатые затяжки; 3 трубчатые ограничители сближения колец; 4 опорная часть крепи; 5 проходческий полок; 6 опалубка;
7 бетонная крепь ствола
ваемой в призабойном пространстве и поднимаемой перед взрывом породы без затрат труда и времени проходческого цикла.
Инженер Б.А. Гей [14] усовершенствовал каркасно-пластинчатую крепь, применяемую при проходке геологоразведочных вертикальных выработок, для условий буровзрывной проходки шахтных стволов.Такая крепь (рис. 14.19) состоит из трубчатых колец 7, пластинчатых затяжек 2, одетых своими проушинами на кольца, трубчатых ограничителей 5, опорной жесткой части 4.
Крепь подвешивается к проходческому полку 5, где установлена лебедка с червячной самотормозящей передачей, канат которой полиспастно огибает шкивы на опорной части крепи. Наружный диаметр крепи в подвешенном состоянии меньше диаметра закреплен-ного ствола на 5—10 см. Крепь устанавливается в рабочее положение опусканием полка с упором крепи на взорванную в забое породу до выгиба пластинчатых затяжек и упора их в выступы породной стенки ствола или упора трубчатых ограничителей в кольца. При опускании крепи и упоре ее в породу выбирается полиспастный канат лебедкой на полке, которым фиксируется рабочее сжатое положение крепи во время уборки породы в забое и выполнения других проходческих работ.
В трещиноватых (с возможными вывалами) породах рекомендуется навешивать с полка за крепь полот
нища стальных сеток и применять затяжки с проемами для бурения шпуров и закрепления сетки анкерами. Перед подъемом крепи в безопасный от взрыва участок ствола с лебедки на полке сматывают часть навитого каната и этим удлиняют крепь, уменьшая арочный изгиб затяжек и проверяя прижим или неприжим сетки сдвинувшейся породной глыбой.
Если сетка не зажата грунтом, крепь удлиняют до полного выпрямления затяжек и поднимают, а если зажата, определяют простукиванием прижатую затяжку и закрепляют породную сдвинувшуюся глыбу сеткой и анкерами ниже и выше, закрепляя анкерами верх и низ полотнища, уменьшая диаметр крепи и поднимая ее. Затяжки рекомендуемой крепи при арочном их изгибе будут упираться в выступающие части породной стенки и поддерживать их.
Применение легкой каркасно-пластинчатой крепи и практическое исключение ее зажимов позволяют избежать аварийности и улучшить показатели параллельной проходки.
Прогрессивные технологии проходки восстающих выработок способом бурения. В мировой практике широко применяется устройство вертикальных выработок бурением. Повышение износостойкости режущего инструмента, надежности оборудования, снижение его относительной стоимости позволяют прогнозировать хорошие перспективы применения указанного способа проходки [49, гл. 3; 66, гл. 18; 103, ч. 3, гл. 5].
ВНИИОМШС (Харьков) для проходки с поверхности вертикальных шахтных стволов диаметром до 5,9 м в грунтах крепостью 120 МПа разработал бур «Эффект» (рис. 14.20) в составе штанговой установки с эрлифтом.
Его действие основано на использовании нетрадиционной схемы разрушения грунтового массива, более эффективно и экономично по сравнению с традиционным буровзрывным способом. Бур «Эффект» оснащается специальным шарошечным инструментом и состоит из отдельных сборочных единиц, компонуя которые, можно бурить любым диаметром в пределах от 2,8 до 5,9 м.
Работа бура «Эффект» реализует технологию разрушения грунта крупным сколом, обеспечивающим: минимальные затраты и расход породоразрушающего инструмента; уборку из забоя и выдачу разрушаемого грунта на поверхность в неизмельченном виде; вер-
Рис. 14.20. Бур «Эффект»
тикальность бурения высокой точности; высокие скорости бурения шарошечным инструментом по грунтам, склонным к адгезии.
Бур «Эффект» не содержит технически сложных и малонадежных конструктивных элементов, прост в обслуживании, своей конструкцией в сочетании с оригинальной технологией обеспечивает минимальный объем выемки грунта, бурение основной части скважины диаметром, превышающим диаметр кондуктора в свету, и проходку ствола с разностью диаметров бурения кондукторной и основной частей 350—450 мм. Максимальная высота бура 15 м, максимальная масса 200 т. Эксплуатация бура обеспечивается бригадой из 4 чел. Бур удобен для перевозки железнодорожным и автомобильным транспортом, несложен в монтаже на буровой площадке.
Факторами, ограничивающими область применения и сдерживающими повышение темпов сооружения, а в ряде случаев — ухудшающими экономические показатели проходки стволов способом бурения, являются существенное отставание технического уровня технологии крепления, отсутствие систем крепления, взаимоувязанных с основными операциями проходческого цикла.
Институтами Минуглепрома и Минхимпрома СССР были в свое время проведены поисковые работы, в результате которых разработаны концепции и подтверждена практическая осуществимость скоростного крепления с применением химических (поли
мерных) материалов восстающих выработок, проходимых способом бурения. Разработан ряд новых схем проходки выработок и крепления полимерной и полимерпородной крепью без присутствия людей в забое.
Результаты теоретических, лабораторных исследований и стендовых испытаний, достигнутый технический уровень, наличие сырьевой и производственной базы в России позволяют предположить возможность разработки серийного оборудования и перспективы широкого промышленного применения химических материалов для целей крепления при буровой проходке.
Контрольные вопросы к главе 14
1. В каком направлении происходит совершенствование технологий строительства шахтных стволов?
2. Что включает в себя поверхностный горный комплекс на стройплощадке?
3. В чем состоит сущность работы шахтных конвейеров и элеваторов?
4. Как осуществляются спуск и подъем людей в вертикальных выработках?
5. На чем основаны принципы работы машины ПМС, комплекса КСО и виброгрейферов серии ПВ?
6. В чем состоит сущность способа проходки шахтных стволов с помощью погружной крепи?
7. В чем состоит особенность сооружения стволов с обделками из монолитного железобетона методом ПКТО?
8. Что обозначает понятие сооружения стволов комбинированным способом?
9. С какой целью применяют шагающие комплексы при проходке шахтных стволов?
10. Какие шагающие комплексы нашли наибольшее применение при строительстве стволов?
11. Назовите основные принципы сооружения шахтных стволов по параллельно-щитовой схеме проходки.
Глава 15. СООРУЖЕНИЕ ЭСКАЛАТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ
15.1. Нетрадиционные конструктивно-технологические решения эскалаторных тоннелей
Эскалаторы в спаренных тоннелях. В практике отечественного метростроения четырехленточные эскалаторы преимущественно размещают в наклонных тоннелях диаметром 9,5 м с обделкой из чугунных тюбингов, что приводит к значительному превышению необходимых пространственных объемов в верхней части сооружения [93, п. 34.1; 107, гл. 6].
С целью сокращения объема проходческих работ и экономии чугунного литья разработано несколько вариантов технических решений, один из которых предполагает сооружение тоннелей эллиптического сечения с уменьшенным вертикальным диаметром и использованием чугунных тюбингов для кольца диаметром 7,5 м и стальных клинчатых прокладок в своде и лотке (рис. 15.1, а). При этом сохраняется существующая технология проходки и может быть использовано имеющееся оборудование, но объем работ сокращается на 10—15 %. В зависимости от инженерно-геологических условий в каждом конкретном случае требуются соответствующие расчетные обоснования.
Заслуживает внимания предложение Метрогипротранса сооружать четырехленточные эскалаторы в спаренных тоннелях наружным диаметром 6 м с обделкой из чугунных тюбингов, имеющих общую среднюю стенку из стальных элементов. Подобное решение, с установкой вместо стенки колонн с верхним и нижним прогонами, реализовано на двух станциях Будапештского метрополитена (Венгрия).
Целесообразность возведения четырехленточных эскалаторов при существующем дефиците чугунных тюбингов обусловливает необходимость сооружения спаренных наклонных тоннелей с обделкой из железобетонных блоков (рис. 15.1, б, в). Конструкция такой обделки состоит из четырех элементов двух типов с внутренней
изоляцией стальным листом толщиной 6 мм. По боковым и торцевым граням изоляции приваривают по 2—3 монтажных уголка с отверстиями для болтовых скреплений. После монтажа уголки срезают, а швы перекрывают привариваемыми накладками. Основные показатели на 1 м длины эскалаторного хода по перечисленным вариантам приведены в табл. 15.1.
Проходку спаренных эскалаторных тоннелей ведут, как правило, последовательно. При наличии в их верхней зоне неустойчивых водоносных грунтов рекомендуется предварительное контурное замораживание. Вначале закрепляют контур первой очереди проходки (вокруг одного тоннеля), затем — второй (в зоне другого). Монтаж обделки может выполняться укладчиками, конструкция которых аналогична укладчикам для одиночных тоннелей. В тоннелях с чугунной обделкой диаметром 6 м при сборке конструкции первой очереди устанавливают общую для двух выработок среднюю стенку из сварных элементов. Применение для наклонных ходов спаренных тоннелей с обделкой из железобетонных блоков способствует сокращению объемов работ, трудозатрат, общему
Рис. 15.1. Варианты технических решений четырехленточных эскала торов:
а тоннель эллиптического сечения; б, в спаренные тоннели в одном и разных уровнях соответственно
Таблица 15.1
Сравнительные характеристики вариантов четырехленточных эскалаторных тоннелей
Материалы и изделия Еди ница изме рения Величины показателей для тоннеля с обделкой
круговой диамет ром 9,5 м эллип тиче ской двойной диаметром
2 х 6,0 м 2 х 5,8 м
Грунт по наружному очертанию обделки м3 70,8 60 53 49
Чугунные тюбинги т 21,4 15 11,5
Сварные элементы т 0,2 1,4
Железобетонные блоки обделки м3 6,9
Металлоизоляция желе зобетонной обделки т 1,7
Внутренние железобетон ные и бетонные конст рукции м3 6 5,2 3,8 2,8
Чеканочные канавки с заполнением свинцовым шнуром м 52,8 42 48,2
удешевлению и ускорению строительства. Упрощаются также отделочные работы: появляется возможность использования лакокрасочных покрытий по металлоизоляции или несложного прикрепления к ней декоративных плит.
Развитие технологии сооружения спаренных тоннелей перспективно в связи с более четким разделением пассажиропотоков в вестибюле и распределительном зале смещением в вертикальной плоскости одного тоннеля относительно другого. При значительной величине такого смещения (рис. 15.1, в) расположение одной пары эскалаторов относительно другой по ширине может быть сближено примерно на 1 м, и общая ширина, занимаемая четырьмя лентами, будет такой же, как и в тоннеле диаметром 9,5 м.
Применение спаренных тоннелей дает возможность при малых пассажиропотоках в первый период эксплуатации отнести монтаж двух эскалаторов и отделочные работы во втором тоннеле на более поздний срок.
Для внедрения на строительстве метрополитенов названных вариантов эскалаторных тоннелей требуется детальная проектная
проработка конструкций и технологии сооружения применительно к конкретным условиям.
Эскалаторные тоннели с обделкой из сборного железобетона. На основе положительных результатов использования при строительстве перегонных тоннелей в неблагоприятных гидрогеологических условиях (водонасыщенные грунты с гидростатическим давлением до 0,3 МПа) высокоточных железобетонных блоков, изготовленных на основе известных зарубежных технологий, в Метрогипротрансе и НИЦ ТМ ОАО «ЦНИИС» возникла идея перенести опыт изготовления и монтажа блоков обделки наружным диаметром 6 м на конструкцию эскалаторных тоннелей, в частности, с 4 лентами. При этом следовало осуществить некоторые усовершенствования, связанные с работой наклонной обделки, пересекающей различные неустойчивые обводненные грунты с поверхности и более устойчивые, прочные в сопряжении с обделкой станции. В статическом расчете обделки наклонного тоннеля приходится учитывать работу конструкции на изгиб как трубчатой балки, частично заделанной внизу в более прочные грунты, т.е. с учетом работы связей между кольцами на растяжение.
По условиям расположения 4 лент эскалаторов и удобного их обслуживания в обделке кругового очертания установлено, что ее внутренний диаметр должен быть не менее 9,1 м, а наружный — 9,9 м (рис. 15.2). При этом вместо 22 т дефицитных чугунных тюбингов на каждый метр тоннеля требуется 12 м3 железобетонных блоков, что намного дешевле.
Для обеспечения устойчивости и прочности обделки соединение колец предусмотрено сквозными (на всю ширину кольца) нарезными болтовыми тяжами МЗО с муфтами-гайками. При монтаже обделки каждая муфта-гайка навинчивается на нарезной конец бол-та-тяжа и может развивать прижимное усилие 160... 170 кН, т.е. каждое кольцо прижимается с усилием свыше 5000 кН. При таких усилиях обеспечивается достаточная жесткость всего наклонного тоннеля. Потребности материалов и изделий на 1 м обделки 4-ленточ-ного эскалаторного тоннеля наружным диаметром 9,9 м: сборного железобетона — 12,0 м3, арматурной стали марки СТЗ класса AI — 1000 кг, болтов-тяжей М30-980 — 32 шт. (182,3 кг), всего металла на кольцо — 1383 кг.
498
Рис. 15.2. Обделка эскалаторного тоннеля из сборных железобетонных блоков:
1 — уплотнительные прокладки; 2 — болт; 3—дюбель-гайка с приваренной трубой, заанкеренные в тело блока; 4 — муфта
Сооружение эскалаторных тоннелей способом «горизонтального забоя». На основе анализа отечественного опыта сооружения эскалаторных тоннелей канд. техн, наук В.П. Ефремов предложил [28] использовать для их проходки технологию «горизонтального забоя». Автор предложения отмечает, что на протяжении всей истории строительства эскалаторных тоннелей конструктивно-технологические решения варьировались весьма слабо. Разработка и погрузка грунта при производстве работ хотя и совмещены по времени, однако в основном выполнялись вручную. Темпы сооружения эскалаторных тоннелей в среднем составляют 6,9 м/мес, что в 2,5 раза ниже аналогичного показателя для станционных тоннелей. Временное крепление лба и кровли забоя также выполняется вручную и требует повышения уровня механизации.
Возведение постоянной обделки хотя и механизировано, но включает в себя выполнение дополнительных слабо механизированных работ по сболчиванию, переболчиванию и чеканке швов. В то же время такие прогрессивные виды крепи, как набрызгбетонная или комбинированная на ее основе, практически не применяются, за исключением случаев крепления лба забоя. И это несмотря на то, что наивысший теоретически достижимый уровень механизации при использовании набрызгбетонных крепей составляет 0,95, арочно-на-брызгбетонных — 0,77, а монолитных бетонных — 0,71.
На основе анализа существующих технологических схем автор [28] приходит к следующим выводам.
• Наиболее рациональной и перспективной в широком спектре инженерно-геологических условий является схема с двухслойной обделкой — первичная крепь набрызгбетонная (арочно-набрызг-бетонная), постоянная обделка — из монолитного бетона (железобетона). Такая схема позволит обеспечить наивысший уровень механизации.
• Наклонное положение тоннеля и забоя выработки существенно снижает производительность труда проходчиков и затрудняет применение высокопроизводительной серийной горнопроходческой техники. Поиск новых технологических приемов, исключающих указанные затруднения, поможет существенно повысить скорости проходки наклонных тоннелей и снизить затраты на их сооружение.
Исходными предпосылками для разработки альтернативных вариантов конструктивно-технологической схемы проходки наклонного тоннеля, по мнению автора, являются следующие: сооружение эскалаторного тоннеля горизонтальным забоем для устранения наклонного положения рабочих механизмов; применение комплекса оборудования, включающего в себя тоннелепроходческий экскаватор с полноповоротной стрелой или агрегат на его основе с рабочим органом избирательного действия и крепеустановщик; использование конструкций с набрызгбетонными временными и монолитными постоянными обделками; применение механизмов непрерывного действия для транспортирования разработанного грунта. При этом были рассмотрены следующие варианты технологических схем проходки эскалаторных тоннелей.
Вариант 1. Сооружение эскалаторных тоннелей в слабых грунтах крепостью f < 1. Временная крепь эскалаторного тоннеля состоит из решетчатых металлических арок кругового очертания, опережающей крепи из арматурных стержней и набрызгбетона (рис. 15.3).
Проходку тоннеля предполагается выполнять по следующей технологической схеме.
1. Разработка и погрузка грунта в горизонтальном забое ведется серийным экскаватором, модернизированным для подземных работ.
2. Транспортировка грунта из забоя осуществляется конвейером. Увязка производительности экскаватора и конвейера производится по формуле
Пк = КрфПэ, (15.1)
где Пк требуемая эксплуатационная производительность конвейера, м3/с; Кр коэффициент разрыхления грунта; ф коэффициент неравномерности погрузки; Пэ эксплуатационная производительность экскаватора, м3/с.
Временное крепление сооружаемого тоннеля принимают ароч-но-набрызгбетонным. На этапе I при проходке верхней калотты монтируют три верхних элемента Б-1-1, Б-1, Б-1-1, составляющих арку с центральным углом около 77°.
На этапе II при проходке нижней калотты устанавливают еще два элемента Б-1-1.
На этапе III при проходке штроссы монтируют нижние элементы арки Б-1-1 и Б-1-2 и после нанесения набрызгбетона по сетке
Рис. 15.3. Крепление наклонного тоннеля при проходке:
а временная крепь из металлических решетчатых арок с набрызгбетоном и монолитным бетонным лотком (вариант 1); б первичная крепь из моно литного бетона (вариант 2)
кольцо из 11 элементов замыкают сооружаемым на этом этапе бетонным лотком постоянной обделки.
Возведение постоянной обделки из монолитного бетона с элементами внутритоннельных обустройств (банкетки для опирания плит перекрытия, по которым устраивают фундаменты под эскалаторы) осуществляют после проходки тоннеля во временной крепи на всю длину.
На этапе IV бетонируют постоянную обделку в обратном порядке (снизу вверх). Механизированную опалубку монтируют по монолитному лотку, сооруженному на этапе III.
Приведенную технологию характеризуют следующие расчетные показатели, полученные после составления циклограмм проходческих процессов: скорость возведения тоннеля и арочно-набрызг-бетонной временной крепи 45 м/мес; скорость сооружения постоянной бетонной обделки 60 м/мес; средняя скорость сооружения готового эскалаторного тоннеля 25,9 м/мес; трудозатраты на 1 м готового тоннеля 81,6 чел.-ч.
Расчетная средняя скорость сооружения тоннеля по предложенной технологии получилась ниже, чем по традиционной технологии, однако по показателям приведенных затрат и трудозатратам данная технология существенно превосходит традиционную.
Вариант 2. Первичная крепь из набрызгбетона без арматуры, сооружаемая сразу же вслед за разработкой грунта. В горизонтальном сечении крепь представляет собой эллипс, в продольном разрезе — ступенчатую конструкцию с высотой ступени, равной заходке (величина заходки должна определяться индивидуально в каждом случае). При высоте вертикальной заходки 0,5 м обеспечивается в нормальном к оси тоннеля сечении средняя толщина временной крепи 0,75 м. Постоянную обделку из монолитного бетона сооружают с применением механизированной опалубки после проходки тоннеля на всю длину (как в варианте 1). Технологическая схема предусматривает выполнение работ в следующем порядке (рис. 15.4).
Бетононасос БН-1,5
Рис. 15.4. Устройство временного крепления эскалаторного тоннеля по варианту 2
1. Разработка и погрузка грунта в горизонтальном забое тоннелепроходческим экскаватором с полноповоротной стрелой, при помощи которой должны нарезаться в грунте щели-заходки в горизонтальной плоскости и отрабатываться забой по всей плоскости.
2. Временное крепление из набрызгбетона, выполняемое заполнением горизонтальных прорезей (щелей-заходок) по контуру тоннеля одновременно с их нарезкой.
3. Транспортирование грунта конвейером.
4. Возведение постоянной обделки из монолитного бетона с элементами внутритоннельных обустройств после проходки тоннеля во временной крепи на всю длину.
Составы оборудования для технологических вариантов 1 (2) приведены в табл. 15.2.
Вариант 5. Сооружение эскалаторного тоннеля в грунтах средней крепости f - 2...5. Конструкция крепи аналогична варианту 2.
Таблица 15.2
Основные машины и механизмы для проходки эскалаторного тоннеля по варианту
Наименование Коли чество Назначение Примечание
Экскаватор одноковшо вый 1(1) Т оннелепроходческая машина Тоннелепроходческий экс каватор с полноповорот ной стрелой
Гидромолот 2(0) Забивка арматурных стержней элемен тов временной крепи Серийный (монтируется на стреле экскаватора)
Крепеуста новщик 1(0) Монтаж арок вре менной крепи Серийный
Щприцбе тон машина 1(1) Нанесение набрыз гбетона первичной крепи Серийная (сопло монтиру ется на стреле экскаватора при разработке горизон тальных прорезей)
Конвейер с перегружате лем KD Транспортировка раз работанного грунта на поверхность Серийный
Опалубка пе редвижная механизиро ванная 1(1) Создание простран ства для бетонирова НИЯ Нестандартное оборудова ние
Примечание. В скобках даны показатели для варианта 2.
Постоянную обделку сооружают также с применением механизированной опалубки после проходки тоннеля на всю длину (как и в предыдущих вариантах).
Технологическая схема проходки предполагает выполнение работ в следующем порядке.
1. Разработка и погрузка грунта в горизонтальном забое проходческой машиной избирательного действия с щеленарезным рабочим органом. С ее помощью ведут нарезку горизонтальных прорезей для устройства временной набрызгбетонной крепи. Для грунтов различного типа рабочий орган может быть разный: шарошечный, баровый, дискофрезный и пр., но должен быть адаптирован для резки грунта в горизонтальной плоскости.
2. Временное крепление из набрызгбетона заполнением горизонтальных прорезей по контуру тоннеля одновременно с их нарезкой.
3. Транспортировка грунта конвейером.
4. Возведение постоянной обделки из монолитного бетона с элементами внутритоннельных обустройств после проходки тоннеля во временной крепи на всю длину.
Для повышения уровня механизации проходческая машина может быть объединена в единый комплекс со шприцбетонмашиной для одновременной нарезки прорезей и заполнения их набрызгбетоном. Опыт такой технологии в отечественном метростроении отсутствует, но аналоги имеются за рубежом (Франция, Япония).
15.2. Организация и производство работ по сооружению эскалаторных тоннелей
Технологическая последовательность работ. К особенностям эскалаторных тоннелей следует отнести их наклонное расположение в профиле и пересечение вследствие этого разнообразных грунтов, в том числе слабых и водоносных. На небольшой длине таких тоннелей (50—100 м) в различных инженерно-геологических условиях потребовалось бы применение самых разнообразных способов проходки. Во избежание этого эскалаторные тоннели обычно сооружают с предварительным искусственным замораживанием грунтов [77, ч. 2, гл. 12].
Если время позволяет, то работы целесообразно организовать последовательно: сначала завершить проходку эскалаторного тон
неля, а затем разрабатывать котлован под машинное помещение и сооружение вестибюля. При такой схеме исключаются взаимные помехи, достаточно просто организуются подготовительные и основные работы, не загромождается строительная площадка, уменьшается влияние деформаций грунтового массива и осадок земной поверхности.
При последовательной схеме работ имеет место следующая очередность работ: а) подготовительные для проходки наклонного хода, включающие в себя освоение строительной площадки, бурение наклонных скважин по периметру эскалаторного тоннеля, монтаж замораживающей сети и станции, производство активного замораживания; б) вскрытие котлована под оголовок и его бетонирование; в) сооружение наклонной, бункерной и тельферной эстакад с одновременной установкой временных полуколец для монтажа тюбингоукладчика и его монтаж; г) проходка наклонного хода. В начале проходки активное замораживание прекращается и ведется пассивное для сохранения необходимой толщины кольца замороженного грунта на период производства работ в зоне неустойчивых грунтов; д) сооружение веерной части и натяжной камеры; е) контрольное нагнетание, чеканка швов, возведение фундаментов под эскалаторы, навешивание зонтов; ж) подготовительные работы для сооружения машинного помещения вестибюля, в том числе крепление стен котлована при его вскрытии; з) вскрытие котлована под машинное помещение и возведение фундаментной плиты; и) возведение железобетонных конструкций вестибюля, кирпичная кладка, облицовка и прочие строительные и монтажные работы по вестибюлю и наклонному ходу.
Опыт сооружения эскалаторных тоннелей показывает, что разрыв между окончанием проходки эскалаторного тоннеля и началом бетонирования плиты машинного помещения при последовательной схеме работ может достигать двух лет и более. Отсюда следует, что для сокращения сроков строительства эскалаторного комплекса более предпочтительной должна быть признана параллельная схема.
При параллельной схеме принята следующая очередность выполнения основных видов работ: а) подготовительные работы для проходки наклонного хода и возведения вестибюля, включающие в
себя освоение строительной площадки, бурение наклонных (для эскалаторного тоннеля) и вертикальных (для вестибюля) скважин, монтаж замораживающей сети и станции, производство активного замораживания; б) вскрытие котлована под машинное помещение вестибюля с одновременным перемонтажом коллектора замораживающей сети наклонного хода; в) сооружение фундаментной плиты и стен машинного помещения; г) устройство наклонной и бункерной эстакад в пределах машинного помещения, монтаж тельферной эстакады, сборка первого постоянного кольца обделки эскалаторного тоннеля и временных полуколец, монтаж тюбин-гоукладчика; г) сооружение вестибюля с одновременными проходкой и обустройством наклонного хода, включая монтаж эскалаторов; д) заделка монтажных проемов в стенах вестибюля и выполнение оставшихся общестроительных и монтажных работ по вестибюлю и наклонному ходу.
Разнообразный характер работ по проходке наклонного хода и возведению вестибюля требует одновременного участия в их выполнении отдельных специализированных организаций, взаимосвязь между которыми определяется общим графиком производства работ, утверждаемым руководителем генподрядной организации.
Анализ опыта проходки эскалаторных тоннелей на отечественных метрополитенах показывает, что основные процессы до настоящего времени механизированы слабо. Разработка грунта в забое в большинстве случаев ведется при помощи отбойных молотков. Монтаж обделки (как правило, из чугунных тюбингов), хотя и производится механизированным способом, но усложнен неудобным в технологическом плане положением собираемого кольца под углом 60° к горизонту. Следствие этого — высокая трудоемкость и низкие темпы сооружения эскалаторных тоннелей. В частности, удельный вес физических объемов проходческих работ составляет 9 %, а доля стоимости сооружения эскалаторного тоннеля в полной стоимости СМР по станции доходит до 15 %.
Необходимость применения традиционной конструктивно-технологической схемы сооружения эскалаторного тоннеля в силу экономических причин (высокой стоимости чугунных тюбингов) должна быть в каждом случае тщательно обоснована. Там, где позволяют инженерно-геологические условия, необходимо использовать
более экономичные конструкции и технологии. При этом во всех случаях следует руководствоваться рекомендациями, приведенными в нормативно-инструктивной литературе и ППР, увязанном с проектом строительства станции. К наиболее существенным из них можно отнести следующие рекомендации.
Горный комплекс для проходки эскалаторного тоннеля должен включать в себя наклонную эстакаду с путями для скипового подъема и спуска тюбингов, бункер с пластинчатым питателем, машинное помещение с редукторными лебедками для скипового подъема и спуска тюбингов, а также тельферную эстакаду, располагаемую поперек оси наклонной эстакады.
Устье эскалаторного тоннеля для монтажа тюбингоукладчика следует сооружать в открытом котловане с креплением его стен. Котлован необходимо разрабатывать с уклоном в сторону тоннеля до глубины, позволяющей смонтировать два первых кольца обделки, а при наличии грунтовых вод — до глубины, превышающей их уровень не менее чем на 0,5 м. На спланированном под углом 30° откосе дна котлована необходимо устраивать бетонный лоток, являющийся основанием для первых колец обделки и последующих полуколец временного оголовника. Первые два кольца обделки следует закреплять бетоном, укладываемым между кольцами и стенками котлована. Отклонения диаметров этих колец от проектных не должны превышать ±10 мм.
При неглубоком котловане на бетонном основании собирают полукольца, необходимые для монтажа укладчика, а первые полные кольца, являющиеся временными, монтируют укладчиком.
К работам по проходке в зоне слабых водонасыщенных замороженных грунтов разрешается приступать только после образования замкнутого льдогрунтового ограждения проектной толщины и прочности. Начало работ должно оформляться актом.
Проходку эскалаторных тоннелей следует вести на полный профиль. При наличии нижерасположенных горизонтальных выработок, примыкающих к эскалаторному тоннелю, допускается проходка с передовой штольней или скважиной. Разработку грунта в забое следует вести сверху вниз заходками на одно кольцо одним или несколькими уступами с обязательной затяжкой кровли и, при необходимости, лба забоя согласно паспорту крепления выработки.
Временная крепь должна быть, как правило, инвентарной. Для механизации погрузки разрабатываемого грунта в скип тюбингоук-ладчик должен быть оснащен погрузочной платформой или грейфером (рис. 15.5).
Технические характеристики укладчика Техническая скорость сооружения тоннеля, м3/ч
(в зависимости от категории грунта) 12
Фронт погрузки, м
в трехленточном тоннеле 4,6
в четырехленточном тоннеле 5,2
Емкость грейфера, м3 0,3
Емкость скипа, м3 1,5
Грунт в замороженной зоне следует разрабатывать с соблюдением мер предосторожности, исключающих повреждение отклонившихся в пределы сечения тоннеля замораживающих колонок и выпуска рассола. При обнаружении таких колонок их необходимо отключать от распределителя и коллектора, рассол выпускать, а выступающую внутрь выработки колонку отрезать. При монтаже обделки вне зоны замороженных грунтов следует устанавливать полные болтовые комплекты, в зоне замороженных грунтов — временные болты с плоскими стальными шайбами, подлежащие замене на полные болтовые комплекты при выполнении гидроизоляционных работ.
При первичном нагнетании за обделку готовый раствор должен подаваться от растворного узла на поверхности по утепленной трубе, к нижней части которой присоединяется гибкий шланг. Растворы для нагнетания в зоне замороженных грунтов следует применять с добавками, предотвращающими замерзание грунта и ускоряющими схватывание. Контрольное нагнетание за обделку и установка пробок с гидроизоляционными шайбами в отверстия для нагнетания должны заканчиваться до оттаивания грунтов.
Отклонение диаметра колец не должно превышать ±30 мм, продольное смещение — ±1 мм. Для устранения накапливающегося отклонения обделки в плане и профиле допускается закладывать между кольцами стальные прокладки.
В эскалаторном тоннеле следует устраивать отделение (или отсек) для прохода людей, с лестницей или трапами, расположенны-
777--777—777—777 777
ми выше выступающих частей перемещаемых в готовой части тоннеля грузов.
При проходке нижнего участка тоннеля с опережающей штольней ее (проходку) следует выполнять из станционных выработок снизу вверх на уровне лотка тоннеля. Штольню по ширине разделяют на два отсека с перегородкой — один, предназначенный для сбрасывания грунта, оснащают деревянным лотком, обшитым листовой сталью, другой — лестницей для прохода людей.
Примеры строительства эскалаторных тоннелей. Оригинальное техническое решение успешно осуществил коллектив СМУ-6 Мосметростроя при сооружении наклонного тоннеля пересадочного узла между станциями «Марксистская» и «Таганская». Комплекс пересадочного узла состоит из натяжной камеры, наклонного хода и машинного помещения в пересадочном вестибюле.
Особую сложность представляла проходка наклонного хода в условиях сильной обводненности грунтов. Для ускорения проходки работники СМУ-6 предложили соорудить опережающую восстающую штольню из натяжной камеры в нижней части сечения наклонного тоннеля. Штольня обеспечивала спуск грунта (разрабатываемого буровзрывным способом), который затем выдавали на поверхность по подходным выработкам через ствол шахты. Кроме того, опережающая штольня служила для дренирования воды из забоя наклонного хода (рис. 15.6).
Принятые способ проходки и схема транспортирования грунта позволили сократить время проходки эскалаторного тоннеля, приблизить сроки сдачи его под монтаж эскалаторов и начала работ по сооружению вестибюля станции. При строительстве пересадочного узла были совмещены по времени возведение внутритоннельных конструкций в натяжной камере, наклонном ходе и машинном помещении. Параллельно велись работы по возведению перекрытия наклонного хода и оснащению кабельного коллектора станции с работами по устройству водозащитного зонта наклонного хода.
Заслуживает внимания опыт строительства наклонного хода ст. «Исторический музей» Харьковского метрополитена при пересечении им водоносного горизонта. Для дренажа грунтовых вод и откатки грунта Метрогипротранс запроектировал проходку наклонного хода диаметром 9,5 м на базе опережающей штольни, которую сооружали в два этапа: снизу вверх до водоносного горизонта, а затем сверху вниз. На сопряжении с натяжной камерой трасса наклонного тоннеля пересекала подходную выработку, с использованием которой осуществляли проходку левого станционного тоннеля. Передовая штольня должна была
2 3
Рис. 15.6. Проходка наклонного хода с помощью восстающей штольни на станции «Марксистская» в Москве:
1 опережающая восстающая штольня; 2 стальной лист; 3 укладчик обделки; 4 вентиляционная труба; 5 натяжная камера; 6 передвижной конвейер
выйти в выработку. Это препятствовало ведению работ в левом тоннеле, что заставило искать другое решение.
На момент начала проходки на поверхности уже соорудили часть вестибюля. Специалисты СМУ-751 предложили вести проходку на полное сечение сверху вниз, предварительно пробурив дренажные скважины. Для задания оси эскалаторного тоннеля на расстрелах крепления котлована вестибюля оборудовали маркшейдерский столик с теодолитом, снабженным лазерной насадкой. Плоскость прорезных колец выносили в натуру теодолитом со специально изготовленной такой насадкой, что позволило обойтись без установки направляющих под прорезные кольца.
Затем собрали 9 полуколец оголовника эскалаторного тоннеля. На них смонтировали буровую установку для наклонного бурения. В лотковой части тоннеля пробурили три дренажные скважины диаметром 219 мм с
выходом в подходную выработку, в пределах водоносного горизонта трубы оборудовали фильтрами.
Средняя скважина, пробуренная точно по оси, вышла в подходную выработку с отклонениями 30 мм в плане и 40 мм в профиле, что облегчило маркшейдерский контроль сооружения наклонного тоннеля. В дальнейшем, до монтажа укладчика, ось тоннеля задавалась лазером. Замеры кольца производили от луча по 8 радиусам. После монтажа укладчика контроль колец за ним вели от луча лазера, забойных колец от смещенной оси. Ось в забой передавали сканированием луча по вертикали. По окончании проходки укладку бетона опор и монтаж плит перекрытия осуществляли также по лазерному лучу.
При строительстве эскалаторного тоннеля ст. «Дубровка» Люблинской линии в Москве бурение вертикальных замораживающих скважин и проходку участка временных колец до «стены в грунте», ограждающей конструкции вестибюля, осуществляли одновременно. Средством для разработки и погрузки грунта на скребковый конвейер служил шахтный манипулятор «Штрек-5» (см. п. 10.2) с навесным оборудованием (ковшовым погрузчиком). Для погрузки грунта в автосамосвалы установили перегружатели передвижной скребковый ПТК-1 и ленточный прицепной от горнопроходческого комбайна ГПКС: первый в наклонном ходе под углом 30°, второй на поверхности стройплощадки (на эстакаде) горизонтально. Монтаж тюбинговой обделки временных колец производили лебедками.
Работы вела одна комплексная бригада в составе 8 10 чел., как правило, в одну, иногда в две смены. С помощью технологической цепочки «Штрек-5» ПТК-1 ленточный перегружатель ГПКС был пройден участок и смонтированы 18 временных полуколец и 7 временных колец эскалаторного тоннеля диаметром 9,5 м. Затем работы были остановлены до завершения процесса заморозки первого контура.
Применение данной технологии значительно сократило долю ручного труда и время на погрузку и транспортировку грунта; уменьшились затраты на сооружение тоннеля в результате исключения строительства материальной эстакады и подъемной машины.
При строительстве эскалаторного тоннеля на ст. «Петровско-Разумовская» Тимирязевской линии Московского метрополитена впервые был применен проходческий комплекс КП-9,5 (рис. 15.7) с укладчиком тоннельной обделки.
Ножевая часть комплекса снабжена механизмами подъема-опускания, с помощью специальных роликов ее можно сдвигать влево или вправо. Это дает возможность разрабатывать грунт на полное сечение. Обделка монтируется укладчиком, оборудованным грейферным погрузчиком, который прикреплен к раме укладчика. Процесс разработки грун-
Рис. 15.7. Проходческий комплекс КП-9,5 для строительства эскалаторных тоннелей:
1 — оболочка щита; 2 — рычаг для монтажа элементов обделки; 3 — выдвижная площадка для укладки тюбингов; 4 — маслостанция; 5 — погрузочная машина; 6 — укладчик тоннельной обделки ТНУ-4; 7 — скип; 8 — щитовые домкраты; 9 — исполнительный орган; 10 — направляющие рамы; 11 —домкраты подъема; 12 — гидроцилиндры радиального распора
та практически полностью механизирован. Комплекс обслуживает бригада из 6 чел. Даже в процессе его освоения, при проведении дополнительных работ по усилению отдельных узлов, обеспечивались хорошие скоростные показатели проходки.
Определенный интерес представляет технология проходки эскалаторного тоннеля диаметром 10,1 м сплошным забоем, реализованная на строительстве наклонных ходов ст. «Печерская» (120 м) и «Дорогожичи» (124,5 м) Киевского метрополитена. Она заключается в применении 6-ярусной балочной временной крепи и постоянной сборной железобетонной обделки с резиновым уплотнением (рис. 15.8).
Для крепления выработок различного назначения большого поперечного сечения была создана обделка в виде железобетонных тюбингов со специальными резиновыми уплотнительными элементами, что позволило снизить стоимость строительства (по сравнению с чугунной тюбинговой обделкой) в 2,14 раза.
Сооружение второго выхода. Строительство второго выхода ст. метро «Маяковская» в столице проходило в сложных инженерно-геологических условиях, обусловленных наличием толщи песков и известняков, являющихся водообильными горизонтами грунтовых вод. Тоннель возводили в водонасыщенных грунтах закрытым способом при водопритоке около 30 м3/ч.
Для создания льдогрунтового цилиндра вокруг наклонного хода на участке строительства была смонтирована система рассолопроводов и установлены шесть установок ПХУ-50. Замораживание производили с ис
П ©перечное сечение
Мальчики
Шандоры и
контрфисы Стяжка
Балка
двутавровая
Паспорт крепления забоя
Филаты Доски затяжки Распорки
Рис. 15.8. Технологическая схема проходки наклонного хода с использовани ем сборной железобетонной обделки с резиновым уплотнителем
пользованием наклонных скважин. В качестве хладоносителя применяли водный раствор (рассол) хлористого кальция. С целью замораживания грунтового массива в зоне эскалаторного тоннеля было пробурено весьма значительное количество вертикальных и наклонных скважин проектной глубиной до 60 м.
Конструкция второго выхода представляет собой сложную систему подземных сооружений, в том числе вестибюль, большой и малый наклонные ходы, натяжная камера, камера металлоконструкций, понизительная подстанция, лифтовая шахта, кабельный коллектор, четыре подходных коридора и соединяющие их ходки. Общая протяженность тоннелей составляет около 300 м без учета вспомогательных выработок. Конструкция большого и малого наклонного ходов имеет круговое очертание диаметром 8,5 м и 7,5 м (соответственно) с обделкой из чугунных тюбингов. Временный водоотлив при сооружении комплекса 2-го выхода ст. «Маяковская» вели по дренажным канавкам и трубопроводу комбинированно.
С целью осушения забоя при проходке большого наклонного эскалаторного тоннеля применяли вместе с заложенным проектом насосом «Гном 16-15А» иглофильтры, обеспечивающие лучший отбор грунтовых вод из зоны ведения работ.
Сооружение вестибюля было предусмотрено в котловане, огражденном сплошной стеной из буронабивных секущихся свай (БСС), заглубленных в водоупор. Такая схема предотвращает возможное разуплотнение грунта в зоне существующих коммуникаций (водопровод, газопровод и т.д.) при его разработке. БСС, заглубленные в глинистые юрские водоупорные грунты, обеспечивали изоляцию котлована от поступления в него грунтовых вод. Бурение скважин под устройство свай осуществляли шнеком с обсадной трубой, извлекаемой при бетонировании. При этом использовали буровой станок «Касагранде В-250», обеспечивающий погружение обсадной трубы усилием домкратов, без ударного воздействия, что является немаловажным при работах вблизи эксплуатируемых зданий. С целью откачки воды из котлована в его пределах забурили водопонизительные скважины, оборудованные насосами ЭЦВ6-10-50. Для снятия остаточной воды применяли насосы открытого водоотлива, расположенные в зумпфах.
Проходка большого наклонного эскалаторного хода осуществлялась с помощью тюбингоукладчика ТНУ-4, отгрузка породы в скип породопогрузочной машиной МП-9,5, а сооружение натяжной камеры горнопроходческим комбайном 4ПП-2М. Все работы велись без применения буровзрывных работ. Монтаж тюбинговой обделки осуществляли при помощи лебедок.
Так как строительство велось в центре города, был разработан проект системы шумоглушения.
Монтаж водозащитных зонтов. Асбоцементные зонты, применявшиеся в прошлом в эскалаторных тоннелях, имеют существенные недостатки: процессы монтажа трудоемки и не поддаются механизации; зонт чувствителен к деформациям обделки и температурным колебаниям, приводящим к образованию трещин и затрудняющим его эксплуатацию. Более прогрессивными по сравнению с асбоцементными являются алюминиевые зонты, смонтированные в эскалаторных тоннелях станций Московского метрополитена «Тургеневская» и «Сухаревская». Алюминиевый зонт состоит (рис. 15.9) из изогнутых по окружности эскалаторного тоннеля арок и продольных элементов.
Специальный профиль продольных элементов позволяет создавать замкнутую систему, соединяя их между собой без каких-либо дополнительных креплений. Гребни, являющиеся замками элементов, исключают возможность проникновения воды и служат одновременно желобом для ее стока по направляющим канавкам профиля арки. Для приема воды с каждой стороны под зонтом устанавливают желоба. Изделия из стали оцинковывают. Радиус кривизны зонта для изготовления и установки арок уточняют по данным маркшейдерских замеров положения колец тюбингов всего наклонного хода. Заготовку и маркировку элементов зонта производят в мастерских, анодирование — на заводе, доставку к месту монтажа — в упакованном виде.
Рис. 15.9. Конструкция алюминиевого водозащитного
зонта:
1 арка; 2 панель; I сечение продольной панели; II то же, центральной
Монтаж зонта состоит из установки арок, которые с определенным шагом (до 3 м) согласно проекту болтами крепят к тюбингам, и из последующей укладки на них центральной продольной панели, на которую затем навешивают с обеих сторон продольные панели. Для защиты зонта от возможного появления блуждающих токов в местах соединения с аркой устанавливают вкладыши из электроизоляционного материала. Чтобы исключить вибрацию зонта при работе эскалаторов, в замках продольных элементов предусмотрены прокладки из полихлорвинила, а по контуру ребер арок — сплошные резиновые прокладки.
Для закрепления нижней части зонта, составленной из продольных панелей, под горизонтальным листом баллюстрады предусмотрен фиксатор его положения, одновременно гасящий звуковые колебания. Секционная конструкция зонта дает возможность при появлении течей в процессе эксплуатации разбирать его отдельными участками и после устранения течи восстанавливать. Использование алюминиевого зонта значительно сократило сроки монтажнодемонтажных работ и снизило их трудоемкость в 3,5 раза. Однако алюминиевые зонты требуют большого расхода металла и сортамента элементов скреплений, а также ручного труда при сборке.
В 1979 г. в пересадочном эскалаторном тоннеле ст. «Марксистская» в Москве был смонтирован экспериментальный зонт из дюралевых лент (рис. 15.10).
Рис. 15.10. Конструкция зонта из дюралевых лент:
1 водозащитные элементы; 2 пазы подвесных опор; 3 и 3' подвесные опоры; 4 крепежные детали; 5 резиновая прокладка; 6 винт
Зонт состоит из девяти продольных водозащитных элементов 7, по протяженности равных длине эскалаторного тоннеля. Материал дюралевая лента шириной 1,19 м и толщиной 1 мм, серийно выпускаемая отечественной промышленностью. Ленты заведены во встречные пазы 2 подвесных опор 3 и 3' ленточного типа из алюминиевого составного профиля. Опоры подвешены к обделке тоннеля через кольцо крепежными деталями 4, ввинченными через просверленные отверстия в обделку, и расположены параллельно продольной оси тоннеля. Длина каждой опоры равна длине водозащитного элемента. Водонепроницаемость стыка элемента зонта с ленточной опорой обеспечивается резиновой прокладкой 5, зажимаемой винтом 6.
Для придания устойчивости элементам зонта и эстетической формы самому зонту расстояние между смежными опорами принято несколько меньшим ширины элемента. Поэтому в поперечном сечении он представляет собой многошарнирный свод, составленный из арок. Во избежание электрокоррозии места соприкосновения подвесок из черного металла с дюралевой ленточной опорой изолируют: подвески — антикоррозийным лаком, а ленточные опоры анодируют.
Сборку зонта осуществляли с помощью специального устройства, которое заанкеривали в пол вестибюля (рис. 15.11).
Монтажное устройство выполнено в виде поворотной радиально направленной телескопической штанги 7, на верхней части которой шарнирно закреплена рама 2, обеспечивающая высотное положение ленты зонта на входе в пазы опор. Рама имеет вращательный барабан 3 и формирующую часть 4 для придания необходимого прогиба ленте в поперечном направлении. Нижний конец штанги снабжен катушкой, на ось которой надевают свернутые в рулон водозащитные элементы 5. Для уравновешивания телескопической штанги в процессе монтажа зонта предусмотрен контргруз 6 из металлических листов. Поворачивают штангу в радиальной плоскости с помощью лебедки. В нужном положении штангу фиксируют штырем к неподвижному сектору 7, установленному на опорной раме 8 устройства.
Водозащитные элементы устанавливают сверху вниз. Ленту подают с помощью монтажного устройства и протягивают через пазы линейных опор лебедкой, установленной в натяжной камере. Вначале собирают элемент в щелыге свода, затем поочередно справа и сле-
Рис. 15.11. Монтажное устройство для сооружения зонта:
1 телескопическая штанга; 2 рама; 3 барабан; 4 формирующая часть; 5 водозащитные элементы; 6 контргруз; 7 неподвижный сектор; 8 опорная рама
ва. Перед монтажом производят разметку, сверловку, нарезку резьбы и установку деталей, к которым крепят линейные опоры отрезками до 3 м. В этих работах участвуют маркшейдеры, поскольку отрезки должны занимать правильное планово-высотное положение, находиться в одном створе и быть параллельными между собой.
Конец ленты с барабана на монтажном устройстве заводят за верхнюю раму в формующую часть, прикрепляют к ней направляющую рамку, зачаленную за трос от нижней лебедки, и заводят в пазы опор. Ленту протягивают на всю длину, снимают направляющую рамку вместе с тросом и возвращают ее к монтажному устройству. Затем монтажное устройство поворачивают на определенный угол и цикл работ повторяют.
Водозащитные элементы в линейных опорах зажимают винтами. В местах сопряжения зонта с натяжной камерой и вестибюлем устанавливают декоративные арки с водоприемным лотком. В табл. 15.3 приведены технико-экономические показатели для трех типов зонтов 3-ленточного эскалаторного тоннеля длиной 20 м.
Сравнительные характеристики зонтов
Таблица 15.3
Материал и изделие Единица измере НИЯ Величины показателей для ти пов зонтов
дюрале вый алюми ниевый асбоце ментный
Материалоемкость в т.ч. алюминиевой конструкции кг 1020 549 2393 2160 14901
Затраты труда чел. ч 241 350 1002
Общая стоимость Ехб- 1377 6074 1534
Анализ технико-экономических данных показывает, что по материалоемкости, трудозатратам и стоимости дюралевый зонт наиболее эффективен. Такой водозащитный зонт может найти широкое применение в эскалаторных тоннелях малой длины. Использование его в эскалаторных тоннелях большой длины требует предварительной проверки.
Одной из характерных запоминающихся черт архитектурного облика станций и наклонных ходов Санкт-Петербургского метрополитена является волнистая поверхность сводов водозащитных зонтов. Выбор такой формы обусловлен применением конструктивного решения в виде самонесущей конструкции из армоцемента (тонкостенного железобетона).
Армоцементные зонты монтируют снизу вверх, для чего оболочки краном укладывают на специальную монтажную форму, с помощью которой производят их установку и гидроизоляцию стыка. Для этого съемную форму устанавливают на тележку, перемещая ее по эскалаторному тоннелю к месту монтажа очередной арки, затем поднимают в проектное положение и винтовыми домкратами разводят ее участки, сваркой закрепляя их с закладными частями опорных балок. После этого форму опускают на тележку и подают на поверхность, где на ее место устанавливают другую (с очередной аркой зонта), и цикл повторяют.
Для монтажа станционных зонтов контейнеры с изделиями доставляют к месту промежуточного складирования на станции по наклонному ходу. Особенность монтажа зонтов односводчатых станций состоит в том, что форму размещают на мостовой тележке,
перемещаемой над пассажирской платформой по рельсам, уложенным на боковых стенах тоннеля. Это позволяет одновременно с монтажом зонтов вести облицовку пола платформы и стен боковых тоннелей. Скорость монтажа армоцементного зонта в эскалаторном тоннеле составляет 6 м/смену, на станции—4,5 м/смену (или 3 ряда арок).
Контрольные вопросы к главе 15
1. Какие технические решения предложены специалистами для сокращения пространственных объемов верхней части эскалаторных тоннелей?
2. В чем состоят трудности применения высокоточных железобетонных блоков, применяемых в перегонных тоннелях, для обделок эскалаторных тоннелей?
3. Какие технические предпосылки заложены в основу технологии строительства эскалаторных тоннелей способом «горизонтального забоя»?
4. В чем заключаются различия технологий строительства эскалаторных тоннелей по последовательной и параллельной схемам работ?
5. С какой целью используют восстающие штольни при проходке наклонных ходов?
6. Как осуществляется монтаж в наклонных тоннелях водозащитных зонтов из продольных водозащитных элементов?
Раздел VL СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ МЕТРОПОЛИТЕНА
Глава 16. УКРЕПЛЕНИЕ ГРУНТОВ
16.1. Традиционные способы укрепления грунтов
При строительстве подземных сооружений метрополитенов в сложных инженерно-геологических условиях широкое применение находят различные специальные способы работ [10; 13; 23; 25; 26; 43, гл. X; 44; 48; 64; 70; 73; 76; 101, гл. 3; 103, ч. 3, гл. 5; 107, гл. 4; 115, гл. 1—8, 10].
Наиболее сложные условия проходки возникают при строительстве подземных сооружений в рыхлых слабоустойчивых водоносных грунтах типа плывунов и мягких пластичных глин, где недопустимо обнажение массива даже на незначительной площади. В этих случаях предварительные мероприятия выполняют не только для гидроизоляции места строительства выработки от окружающего водоносного массива, но и для закрепления грунтов и придания им большей устойчивости.
В зависимости от условий проходки и типов применяемого оборудования возможны различные сочетания способов. Так, при проходке зон тектонических разломов эффективным в большинстве случаев может оказаться сочетание тампонажа предразлом-ных участков (представленных, как правило, водонасыщенными сильно трещиноватыми скальными грунтами) с закреплением грунта в ядре разлома инъекционным способом, например, химической композицией, и последующий дренаж скважин, пробуренных за зону укрепления. В любом случае выбор способа проходки выработки должен быть сделан на основе соответствующего технико-экономического обоснования [23; 25; 26; 33; 50, п. 7.4; 53, гл. 18, 19; 73].
Химическое закрепление грунтов. Тампонаж или химическое закрепление грунтов в широком смысле слова представляет собой искусственное целенаправленное преобразование строительных свойств грунтов их химической обработкой различными реагентами, основанное на реакциях взаимодействия реагентов между собой или с участием химически активной части грунтов. Такое закрепление грунтов обеспечивает необратимость и долговечность приобретенных ими свойств [23; 64; 73; 93, п. 31.4].
В зависимости от технологии обработки грунтов химическое закрепление имеет два направления: инъекционное химическое закрепление, когда реактивы в виде растворов или газов вводятся в грунты в условиях их естественного залегания без нарушения их структуры нагнетанием под давлением; буросмесительное закрепление грунтов с нарушением их естественной структуры механическим перемешиванием грунтов с цементами или другими реагентами и добавками, с применением специальных механизмов. Инъекционное закрепление применяют для грунтов, обладающих определенной водопроницаемостью, включая песчаные, крупнообломочные, трещиноватые скальные и полускальные, а также просадочные лессовые грунты. Буросмесительное закрепление возможно в принципе для всех нескальных грунтов, включая глинистые, независимо от их водопроницаемости.
Инъекционное химзакрепление давно вошло в практику строительства, буросмесительное находится в стадии становления, но уже сейчас способно решать некоторые важные практические задачи. Оба направления дополняются и обеспечивают возможность закрепления всех без исключения грунтов в естественном залегании, что в значительной мере способствует решению проблем строительства в сложных инженерно-геологических условиях.
Не подлежат инъекционному химзакреплению грунты, пропитанные нефтепродуктами. Инъекционное химзакрепление необратимо повышает механическую прочность и устойчивость грунтов, уменьшает их сжимаемость и водопроницаемость, а также устраняет просадочность при замачивании лессовидных грунтов, что обеспечивает широкие возможности его применения.
С химической точки зрения в основе инъекционного химзакреп-ления грунтов лежит явление конденсации неорганических и орга
нических полимеров (крепителей) при их взаимодействии с коагулянтами (отвердителями), заключающееся в отверждении полимеров в порах и трещинах грунтов. В качестве крепителей применяют водные растворы силиката натрия (неорганический полимер), а также растворы карбамидных и других синтетических смол (органические полимеры). В качестве отвердителей используют различные неорганические и органические кислоты, соли и химические добавки к ним, некоторые газы. Участвующие в процессе закрепления грунтов химические вещества в растворах или газы называют закрепляющими реагентами, а смесь растворов крепителей и отвердителей — гелеобразующей смесью.
Различают предварительный и последующий тампонаж грунтов (до проходки и после проходки горной выработки). По назначению инъекция бывает: заполнительная (заполнение пустот, каверн и карстов), укрепительная (повышение прочности неустойчивых и подверженных внезапным обрушениям грунтов), противофильтра-ционная (повышение водонепроницаемости скальных и аллювиальных водонасыщенных грунтов).
Замораживание грунтов. Способ искусственного замораживания применяют при строительстве подземных сооружений в слабых, неустойчивых водоносных грунтах, а также в устойчивых, но сильно трещиноватых с большой водообильностью. Если рыхлый сыпучий водоносный грунт подвергнуть замораживанию, то в результате превращения в лед воды, содержащейся в его порах и скелете, физико-механические свойства грунта (льдогрунтового массива) изменятся: он будет иметь более высокую механическую прочность, чем в обычном состоянии. Кроме того, льдогрунтовый массив, являясь водонепроницаемым, предотвращает проникновение воды в забой и создает возможность проходки выработки без водоотлива [13; 25; 93, гл. 31; 98, гл. III; 103, ч. 3, гл. 4; 106]. Льдогрунтовое ограждение поддерживают в замороженном состоянии до окончания строительства подземного сооружения, а затем ликвидируют.
Рассматривая особенности замораживания грунтов в городских условиях, проф. М.Н. Шуплик отмечает [50, с. 133—150], что основной объем таких работ приходится на небольшие глубины (до 30—50 м), чаще 11—20 м от поверхности земли. При замораживании грунтов на таких глубинах неизбежное влияние на процесс фор
мирования льдогрунтового ограждения оказывает теплоприток со стороны земной поверхности, который в летнее время, как показывает практика, может превышать в 5—10 раз теплоприток со стороны незамороженного массива. Особую сложность при этом вызывает наличие в непосредственной близости от строящихся объектов теплотрасс, канализационных коллекторов и других коммуникаций, имеющих повышенную температуру (локальные источники тепла с температурой до 60 °C).
Отличительной особенностью городского подземного строительства являются частые пересечения трасс строящихся объектов с автомобильными дорогами, линиями действующего метрополитена, водными преградами и другими объектами, при сооружении которых требуются особые, высокоэффективные способы и схемы замораживания грунтов.
Специфика городского хозяйства оказывает воздействие на состав подземных вод. Зачастую такие воды, подлежащие замораживанию, содержат примеси нефтепродуктов, растворы минеральных солей, что резко снижает температуру льдообразования, и на отдельных объектах она составляет — (10—15) °C. Жизнедеятельность города влияет и на начальную температуру подземных вод, которая вблизи теплотрасс подземных коммуникаций достигает 20—25 °C.
Характер и время формирования льдогрунтового ограждения зависят и от фильтрации подземных вод, которая в условиях города, как правило, всегда имеет место. В городском подземном строительстве льдогрунтовые ограждения чаще всего выполняют роль противофильтрационной перемычки и реже — грузонесущей, поэтому их создают незначительной толщины (0,8—1,1 м). Нельзя не отметить, что способ замораживания грунтов применяют также в аварийных ситуациях для ликвидации прорыва воды и плывуна в строящиеся подземные сооружения.
Такие особенности замораживания грунтов в городских условиях предопределили соответствующие способы и схемы замораживания. Наиболее распространенным способом замораживания является так называемый рассольный способ, при котором отбор тепла от грунта осуществляют с помощью жидких хладоносителей (рассолов), циркулирующих в замораживающих колонках. Внедряют также способ непосредственного испарения холодильных агентов в
колонках. В качестве таких хладагентов можно применять азот, пропан, хладон-22 и -12, аммиак. Наибольшее распространение получил жидкий азот, температура испарения которого при атмосферном давлении составляет -195,8 °C. Другие хладагенты при этом же давлении испаряются при следующих температурах (°C): пропан -42,2, хладон-22 и -12 соответственно -40,8 и -29,8, аммиак -34.
В настоящее время исследуют возможность использования в качестве хладоносителя низкотемпературного воздуха от воздушных холодильных установок (воздушное замораживание).
Из перечисленных способов в практике городского строительства, в основном, применяют рассольный способ при вертикальном расположении колонок и с использованием жидкого азота. Недостатками этих двух способов являются их значительная энергоемкость и высокая стоимость.
Возрастающие объемы замораживания грунтов вблизи зданий, сооружений, под железными и автомобильными дорогами, с одной стороны, и высокая стоимость, продолжительность, энерго- и материалоемкости этого процесса, с другой, приводят к необходимости решения крупной проблемы, направленной на обоснование и разработку параметров технологии замораживания грунтов в городских условиях, обеспечивающей ресурсосбережение, охрану окружающей среды и повышение технико-экономических показателей подземного строительства.
Достичь поставленной цели можно двумя путями. Первый направлен на обоснование параметров технологии замораживания, позволяющей снизить объемы замораживаемого грунта в специфических городских условиях за счет выполнения его функций льдогрунтовым ограждением. Второй путь предусматривает резкое уменьшение материальных и энергетических затрат, сокращение времени замораживания при неизменных объемах замороженного грунта.
Реализация первого пути возможна за счет разработки и внедрения технологии замораживания грунтов с помощью горизонтальных колонок. Как показал отечественный и зарубежный опыт, такая технология при строительстве протяженных выработок позволяет резко увеличить его технико-экономические показатели и решить ряд вопросов сформулированной выше проблемы.
Второй путь реализации данной проблемы состоит в обосновании и разработке принципиально нового мобильного безрас-сольного способа замораживания грунтов с применением твердых криоагентов, позволяющего обеспечить ресурсосбережение, в том числе снижение для замораживания заданного объема грунта затрат электроэнергии, воды, труб и требуемого оборудования.
Твердый криоагент за счет тепла, поступающего в колонку из окружающего грунта, испытывает сублимацию, т.е. переходит из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. При этом в зависимости от типа и свойств твердого криоагента температура сублимации может составлять от -50 до -264 °C. По мере сублимации в колонке интенсивно накапливается газообразный криоагент. За счет увеличения давления он поднимается по замораживающей колонке на поверхность и уходит в атмосферу, осуществляя тем самым канализацию тепла из массива грунта. Скорость сублимации твердого криоагента зависит от теплопритока из окружающей среды. Поддерживая заданный уровень криоагента, в колонках создаются условия для непрерывного замораживания грунтов до заданных размеров.
В качестве твердых криоагентов в принципе могут быть использованы любые химические вещества, обладающие свойством сублимации при низких отрицательных температурах. Анализ современных твердых криоагентов в отношении их свойств, технологии получения, дефицитности, безопасности и стоимости показал, что на современном уровне развития техники и технологии наиболее приемлемым для промышленного применения при замораживании грунтов является твердый диоксид углерода («сухой лед»), основные свойства которого следующие:
температура сублимации, К (°C).................194,1 ( 78,9)
давление сублимации, МПа.....................................0,101
плотность в твердом состоянии, кг/м3..........................1563
плотность в газообразном состоянии, кг/м3....................1,976
теплоемкость, кДж/(кг-К), в состоянии:
твердом..................................................1,24
газообразном...........................................0,845
удельная теплота сублимации, кДж/кг............................574
коэффициент теплопроводности в твердом состоянии, Вт/(м*К).....0,4
Твердый диоксид углерода вырабатывают на специальных заводах в виде брикетов массой до 120 кг.
Анализ закономерностей изменения свойств твердого диоксида углерода в зависимости от внешних условий и воздействий позволил обосновать и предложить ряд новых технологических решений замораживания грунтов, принципиальные схемы которых приведены на рис. 16.1 и 16.2.
На рис. 16.1, а представлена наиболее простая технологическая схема, при которой замораживание грунтов осуществляется через заглушенные в нижней части трубы (в дальнейшем называемые колонками по аналогии с рассольным способом замораживания грунтов), периодически заполняемые (по мере сублимации) диоксидом углерода. Последний сублимирует за счет притока тепла из окружающих грунтов. В зависимости от давления в колонке температура испарения будет находиться в пределах -78,9...-56,6 °C.
Недостатком рассматриваемой схемы является сложность поддержания уровня нахождения твердого диоксида углерода на заданной глубине. Непостоянство уровня может привести к неоднородности формирования льдогрунтового ограждения по глубине или же к непроизводительным потерям холода в верхних слоях грунта, не подлежащих замораживанию.
Перечисленных недостатков лишена схема замораживания грунтов, представленная на рис. 16.1, б. Сущность этой технологии
Рис. 16.1. Принципиальные технологические схемы замораживания грунтов твердыми криоагентами:
а безжидкостное; б жидкостное; 1 заглушенная труба; 2 газообраз ный криоагент; 3 льдогрунтовое ограждение; 4 твердый криоагент;
5 труднозамерзающая жидкость; У ГВ уровень грунтовых вод
заключается в следующем. В колонку на глубину замораживания грунтов заливается жидкость, температура замерзания которой должна быть ниже температуры сублимации. В жидкость загружается твердый диоксид углерода. В результате отбора тепла от жидкости она охлаждается и, в свою очередь, отбирает тепло от грунтов, окружающих колонку, что приводит со временем к формированию льдогрунтового ограждения требуемых размеров. В процессе сублимации твердого диоксида углерода выделяется большое количество углекислого газа СО2, который, проходя через жидкость, вызывает ее бурное перемешивание (как бы кипение).
Интенсивное перемешивание жидкости в замораживающей колонке способствует интенсификации процесса теплообмена между жидкостью в колонке и грунтом. Процесс теплоотдачи в колонке при этом будет аналогичен процессу теплоотдачи течения жидкости при турбулентном режиме.
Основными преимуществами рассматриваемой технологии замораживания грунтов являются простота ее реализации, способность замораживания грунтов в заданном интервале (т.е. ее можно использовать при зональном замораживании грунтов), равномерность намораживания льдогрунтового ограждения по глубине, возможность управления процессом создания и поддержания льдогрунтового ограждения во времени.
На рис. 16.2 приведена технологическая схема замораживания грунтов, в которой твердый криоагент выполняет роль замораживающей станции и служит хладагентом для охлаждения холодоно-сителя. В качестве последнего следует применять труднозамерзаю-щую жидкость (с температурой замерзания ниже температуры сублимации твердого диоксида углерода на 5—10 °C), обладающую малой вязкостью и большой теплоемкостью.
На рис. 16.2, а приведена схема, аналогичная рассольной схеме замораживания, в которой отсутствуют компрессор и конденсатор. Замораживание грунтов по предлагаемой схеме осуществляется следующим образом.
Охлаждение холодоносителя обеспечивается в батарее труб 4, которые расположены в теплоизоляционной емкости 3. Емкость заполнена твердым криоагентом 2 (например, «сухим льдом»), который отбирает тепло от холодоносителя. Охлажденный хладагент
Рис. 16.2. Технологические схемы замораживания грунтов при сублимации твердого криоагента в промежуточном сосуде:
а без компрессора и конденсатора; б то же, с иными замораживающи ми колонками; 1 емкость с незамерзающей жидкостью; 2 твердый крио агент; 3 емкость для твердого криоагента; 4 змеевик; 5 насос; конст рукция колонки: 6 общепринятая; 7 U образная; трубопроводы:
8 питающий; 9 отводящий
насосом 5 подается по питающему трубопроводу 8 к питающим трубам замораживающих колонок 6, Холодоноситель, пройдя через колонки, собирается в отводящем трубопроводе 9 и попадает в емкость 1. Затем цикл повторяется. По мере отбора тепла от холо-доносителя твердый криоагент сублимирует и в газообразном виде (через верхнее отверстие в емкости 3) попадает в атмосферу. По мере сублимации твердого криоагента последний периодически догружается с таким расчетом, чтобы его уровень был всегда выше батареи труб 4. В результате непрерывной циркуляции охлажденного холодоносителя в колонках формируется льдогрунтовое ограждение проектных размеров.
На рис. 16.2, 6 представлена схема замораживания грунтов с применением твердых криоагентов, аналогичная рассмотренной.
Отличие состоит лишь в конструкции замораживающей колонки. Для снижения гидравлических потерь и увеличения эффективности теплопередачи предлагается замораживать грунты с помощью U-образной замораживающей колонки 7.
Разработанные технологические схемы замораживания с применением твердого диоксида углерода являются ресурсосберегающими и имеют ряд преимуществ по сравнению с рассольными способами. Для них характерны простота реализации технологии, мобильность, отсутствие потребности в электроэнергии и воде, значительная экономия труб, снижение в 2—4 раза времени замораживания, отсутствие потребности в квалифицированной рабочей силе, безопасность ведения работ.
Способ замораживания грунтов универсален. Его успешно применяют при проходке как в трещиноватых, так и в рыхлых водоносных грунтах в условиях фильтрации подземных вод, их высокой минерализации и температуры. Замораживание может вестись практически на любые глубины, можно замораживать грунтовые массивы как ограниченной формы, так и на больших площадях.
Промерзание грунта сопровождается его охлаждением до температуры кристаллизации свободной воды (О °C), превращением в лед некоторого количества связанной воды (при температуре ниже О °C), а также скачкообразным изменением теплофизических свойств грунтов и их влажности. Основной характеристикой мерзлых грунтов является их относительная льдистость, т.е. отношение веса льда к весу всей воды в замороженном грунте (например, в песках замерзает практически вся вода, и льдистость близка к 1, а в глинистых грунтах некоторое количество воды не замерзает даже при температуре значительно ниже О °C). От количества незамерзшей воды зависят пределы прочности мерзлых грунтов и их теплофизические свойства. В различных грунтах при одинаковой температуре замерзает неодинаковое количество воды (так, например, экспериментальные данные свидетельствуют, что в илистом грунте даже при температуре минус 40 °C остается незамерзшей около 10 % воды). Это надо учитывать как в тепловых расчетах, так и в процессе замораживания.
В том случае, когда мерзлотная завеса выполняет функцию несущей конструкции, т.е. служит подпорной стенкой, воспринимающей давле
ние грунта и воды, важное значение имеет сопротивление мерзлого грунта механическим усилиям. Водоносные пески и плывуны в замороженном состоянии становятся настолько прочными, что при отделении их от массива, например, отбойными молотками, появляются искры.
Опыт показывает, что в песчаных и гравелистых, а также в крепких скальных грунтах холод распространяется значительно дальше, чем в глинистых грунтах. Некоторые глины и бурый уголь вообще не поддаются промораживанию и всегда остаются мягкими и пластичными. Слабое действие холода на эти грунты объясняется их малым коэффициентом теплопроводности и значительным содержанием (до 45 %) связанной воды, которая замерзает лишь при температуре ниже минус 78 °C, в то время как температуры замораживания составляют от -20 до -25 °C. По этой же причине указанные грунты обладают и относительно малой прочностью.
Некоторые виды глины и мергеля в замороженном состоянии при обнажении заметно разбухают (вспучиваются) вследствие воздействия на них влаги воздуха, а водоносные пески при замораживании увеличиваются в объеме. Это следует учитывать при монтаже копров и производстве работ вблизи зданий и сооружений (подъем земной поверхности может быть до 60 мм и более). Чтобы избежать подъема грунта, замораживающие трубы в пределах от земной поверхности до уровня подземных вод следует покрывать теплоизоляционным материалом (например, полиэтиленом).
Свойства мерзлых грунтов очень сложны, нестабильны и зависят от их состава, влажности и температуры. Замороженные грунты обладают ползучестью, т.е. способностью снижать прочность (внутреннее сопротивление) под действием постоянной, длительно действующей нагрузки. Явление ползучести представляет собой одну из разновидностей пластического течения. В связи с этим различают два вида прочности замороженных грунтов: мгновенную и длительную. Под мгновенной прочностью понимают временное сопротивление грунта при его разрушении в прессе от быстродействующей нагрузки. Длительную прочность определяют экспериментально при различных нагрузках, действующих в течение времени до 1000 ч. Длительная прочность составляет 50—80 % мгновенной прочности (с увеличением времени приложения нагрузки она снижается). Чтобы чрезмерно не увеличивать размеры льдогрунтового огражде
ния или не принимать его опасно тонким, продолжительность испытания замороженного грунта на длительную прочность следует принимать равной продолжительности фактической работы льдогрунтового ограждения.
Строительное водопонижение. При возведении подземных сооружений в обводненных грунтах для исключения подтопления, вызывающего в неустойчивых и слабоустойчивых грунтах (пески, супеси и т.п.) большие выносы грунта внутрь выработки, в общем случае применяют водопонижение, водоотлив, противофильтрацион-ные завесы и регулирование поверхностных стоков.
Среди различных способов понижения уровня грунтовых вод наибольшее распространение при строительстве подземных сооружений получило искусственное водопонижение. Этот способ широко применяется при осушении водоносных слоев грунта в пределах разрабатываемой выемки (котлована, траншеи и т.п.); при уплотнении плохо отдающих воду грунтов, залегающих в основании возводимого сооружения; для обеспечения устойчивости грунтов и сохранности зданий при сооружении тоннелей мелкого заложения закрытым способом; с целью отказа от использования сжатого воздуха (кессона) как средства отжатия воды при щитовой проходке в водонасыщенных грунтах; при проходке шахтных стволов.
Выбор способа водопонижения зависит от свойств и условий залегания грунта, условий питания подземных вод, водопроницаемости (коэффициента фильтрации) осушаемых пород, размеров осушаемой зоны в породах, мощности водоносного горизонта, характеристики технических средств водопонижения.
Наибольшее распространение получил поверхностный способ водопонижения. При этом в зависимости от типа и расположения водопонизительных устройств применяют различные схемы водопонижения: линейную — водопонизительные устройства располагают в ряд по прямой линии; контурную — при их расположении по контуру, огибающему сооружение; кольцевую, когда контур расположения водопонизительных устройств замкнутый; ярусную — при расположении водопонизительных устройств на нескольких уступах по глубине котлована [103, ч. 3].
Классификация существующих способов водопонижения показана на рис. 16.3.
Ch
Метод сооружений от грунтовых вод
Способ водопонижения
Сроки осуществления
Средства водопонижения
Средства водопонижения
Тип средств водопонижения
Рис. 16.3. Классификация способов водопонижения
При проектировании водопонижения исходят из того, что защита горных выработок должна предотвращать притоки и прорывы воды в выработки, что нарушает условия ведения горнопроходческих работ; препятствовать опасному разрушению водой грунтов, окружающих выработки; обеспечивать организованный отвод поверхностных и грунтовых вод к местам их сброса; не допускать угрожающего водоснабжению истощения ресурсов подземных вод и их загрязнения, засорения, нарушения режима и размыва берегов поверхностных водных объектов, эрозии почвенного слоя и опасных последствий деформаций грунтов и сооружений в районе защищаемых выработок в результате водопонижения; предусматривать сооружения, устройства и мероприятия по регулированию водоприто-ка к выработкам, напора подземных вод и поверхностного стока в надтоннельной зоне, а также охрану окружающей среды. Типы защитных сооружений, устройств и мероприятий должны учитывать изменяющиеся с течением времени в процессе проходки производственные и природные условия, форму и размеры защищаемого пространства. Все приведенные на рис. 16.3 способы строительного водопонижения грунтов достаточно подробно изложены в работах [10; 74; 93, п. 30.4; 98, гл. III; 103, ч. 3, гл. 2] и здесь не рассматриваются.
16.2. Термическая обработка грунтов
Более 50 % объектов различного назначения, в том числе метрополитены (перегонные тоннели, станции открытого способа работ и др.), возводят в просадочных лессовых и глинистых грунтах, которые при увлажнении подвержены оползням, сплывам, просадкам, морозному пучению и другим физико-геологическим процессам, усложняющим и удорожающим строительство. Одним из перспективных методов борьбы с отрицательными строительными свойствами лессовых и глинистых грунтов, применяемых при изготовлении из них грунтовых свай, стен, обделок различных выработок и укреплении откосов, является метод глубинного обжига через буровые скважины [103, гл. 9]. Его разновидности можно разделить на три группы.
Способы, условно названные конвективными, предусматривают нагнетание газов, нагретых в печах вне скважин глубиной до 10 м (рис. 16.4, а), генерацию газов в устье скважин глубиной до 15 м (рис. 16.4, б) и в стволе скважин глубиной до 25 м (рис. 16.4, в).
Кондуктивные способы применяют для спекания грунтов в массиве электронагревателями (рис. 16.4, г) и спекания грунта или других материалов, загружаемых в ствол скважины (рис. 16.4, д).
К смешанным способам относят нагревание грунта конвективным или кондуктивным способом с последующим спеканием его или плавлением с другими материалами в стволе скважин.
В результате термической обработки вокруг скважины образуется осесимметричное термогрунтовое тело, прочностные и деформационные свойства которого изменяются в радиальном от скважины направлении. Прочностные свойства грунтов (табл. 16.1), обработанных при температурах 600—1000 °C, сравнимы со свойствами обыкновенного кирпича, а сплавленного грунта — со свойствами высокомарочных бетонов и скальных грунтов.
Резко возрастающие при этом силы трения и сцепления упрочненного грунта с исходной материнской породой могут наиболее полно использоваться в коротких термогрунтовых сваях, для кото-
а... в конвективные; г... д
кондуктивные
Таблица 16.1
Прочностные свойства термически упрочненных грунтов
Основные задачи термической обработки грунта Минималь ная температу ра обжига, °C Прочностные свойства грунтов при полном замачивании
временное сопротивление сжатию, МПа удельное сцепление, 102 МПа угол внутреннего трения, <р
Получение строительных материалов 900... 1000 5...25 25...40 9...24
Устройство свай, столбов, подпорных стен и т.п. 600... 900 3...21 16...30 7...21
Борьба с морозным пучением 500... 600 2...15 12...18 5...11
Ликвидация просадочности 350...400 7...10 4...7
Уменьшение бокового давления на подпорные стены и другие ограждающие конструкции 300...350 6...9 4...6
рых практически отсутствуют силы нагружающего трения при замачивании просадочных грунтов, а также для повышения устойчивости откосов и изготовления грунтовых стен. Горючую смесь в скважинах сжигают при помощи форсунок или горелок. Контроль за процессами внутри скважин ведут визуально через смотровой глазок, монтируемый на затворе, которым герметизируют скважину.
В нашей стране на упрочненных этим способом грунтах возведено около 200 различных зданий и сооружений. Разработаны оборудование и технология глубинного обжига и спекания грунтов через скважины глубиной 20 м и более.
16.3. Струйная технология устройства противофильтрационных завес и несущих конструкций
в грунте
Сущность способа и условия применения. Струйная технология jet-grouting (струйная цементация природных грунтов) строительства подземных сооружений в нашей стране начала осваи
ваться с 1976 г. по инициативе института «Гидроспецпроект» Минэнерго СССР.
В основе этой технологии лежит использование энергии водяной струи для прорезания в грунте вертикальных щелей, заполняемых (в зависимости от назначения сооружения) противофильт-рационными или твердеющими материалами. С этой целью применяют устройства, основную часть которых составляет струйный монитор с размещенными на его боковой поверхности водяными соплами. В нижнем торце монитора имеется отверстие для выпуска материала заполнения. К верхнему концу монитора подсоединяют подводящие трубопроводы, крепят штангу, при помощи которой монитор опускают в направляющую скважину.
Для повышения эффективности действия водяной струи мониторы оснащают дополнительным соплом, образующим с водяным соплом кольцевой зазор, через который подается сжатый воздух. Образующаяся при этом воздушная рубашка отделяет струю от подземной воды и пульпы и тем самым увеличивает дальность ее действия. Кроме того, воздух в скважине создает эрлифтный эффект, способствуя выносу пульпы на поверхность.
Технология jet-grouting, непрерывно развиваясь, базируется на нескольких методах, позволяющих определить рамки ее возможностей. Однокомпонентная технология (рис. 16.5, а) предполагает использование горизонтальной высокоскоростной струи цементного раствора, которой сообщается вращательное движение с синхронным перемещением вдоль оси монитора. Струя работает в затопленном режиме, и разрушение грунта по этой причине происходит лишь на расстоянии 15—30 см от сопла с образованием грунтоцементной колонны диаметром 40—70 см.
Определенный объем раствора (35—40 л/мин на сопло), выбрасываемый с высокой скоростью (100—200 м/с) из монитора, содействует разрушению структурных связей окружающего грунтового массива, одновременно пропитывая его твердеющим материалом.
В хорошо фильтрующих грунтах (из-за эффекта фильтрации под давлением) значительное количество воды из состава цементного раствора рассеивается, что способствует получению более высоких прочностных характеристик, повышенных коэффициента упругости и объемного веса. При этом часть цементного раствора, переме-
Рис. 16.5. Методы цементации грунтов по технологии jet grouting', а однокомпонентный; б двухкомпонентный; в трехкомпонентный од ностадийный; г то же, двухстадийный; 1 цементный раствор; 2 сжатый воздух; 3 чистая вода; 4 жидкость; 5 система обратной циркуляции
щенного с отделенным грунтом (излишек материала) в зоне действия струи, под воздействием избыточного давления изливается на поверхность через кольцевой зазор в скважине вокруг трубного става. В то же время это давление провоцирует уплотнение грунтового массива в непосредственной близости к контуру колонны, повышая тем самым характеристики даже необработанного грунта в промежутках между колоннами (при правильно выбранном шаге).
В водонасыщенных грунтах, а также в зоне разработанного грунта струя цементного раствора испытывает значительное сопротивление от жидкой среды, в результате чего энергия струи резко уменьшается уже в непосредственной близости от сопла монитора. Для повышения эффективности действия струи монитор в этом случае оснащается дополнительным соплом, способствующим образованию совместно с жидкостным кольцевого зазора, через который под давлением подается воздух, т.е. применяется так называемая двухкомпонентная технология (рис. 16.5, б).
Сжатый воздух, формирующий вокруг растворного сопла воздушную оболочку, отделяет струю жидкости от подземной воды и пульпы (разработанной породы во взвешенном состоянии) и тем самым увеличивает дальность ее действия. В результате образуются стабильные грунтоцементные колонны значительного диаметра (80—160 см). Иногда, изменяя процедуру использования этого метода (аналогично однокомпонентной технологии), можно получить колонны большего диаметра, прибегнув к такому способу: вначале выполнить расслоение грунта струей воды, а затем повторить эту операцию, но уже со струей цементного раствора.
В некоторых случаях возможно применение трехкомпонентной технологии (одно- или двухстадийной).
В основе одностадийной технологии лежит использование разрушающего действия струи воды, истекающей с огромной скоростью и окруженной сжатым воздухом. Образующийся таким образом шлам вытесняется твердеющим материалом и под действием сжатого воздуха поднимается к устью скважины, где отводится в сторону или откачивается. Часть разрушенного грунта остается в скважине, перемешиваясь с твердеющим материалом и образуя в качестве конечного материала грунтобетон. Размеры таких выработок колеблются в диапазоне 80—200 см.
Единственным ограничением этого метода является угол наклона (не более 10—12°) по отношению к вертикальной оси при производстве работ. Это ограничение возникает главным образом из-за системы выноса разработанного грунта на поверхность с помощью эрлифта.
По двухстадийной технологии можно получить колонны с очень большим диаметром (до 4 м) и заведомо определенными прочностными характеристиками. Суть метода заключается в образовании
в грунте цилиндрической полости, используя вращающиеся струи жидкости (вода либо глинистый раствор в зависимости от геологических условий), с одновременным удалением системой обратной циркуляции разработанной породы во взвешенном состоянии. Здесь используется тот факт, что струя жидкости более эффективно действует в однородной среде, чем в разжиженной массе грунта. После извлечения монитора заполняют существующую полость арматурным каркасом и твердеющим материалом (методом вертикально перемещающейся трубы), вытесняя из скважины воду либо глинистый раствор.
Одним из наиболее простых механизмов для откачки воды из скважин и колодцев является эрлифт. По принципу действия эрлифты относят к динамическим насосам трения. В них гидросмесь (пульпа) поднимается под действием сил, возникающих при относительном движении газа (воздуха) и гидросмеси. Эрлифт состоит (рис. 16.6) из всасывающего устройства с подводящей трубкой 7,
Рис. 16.6. Гидравлическая схема эрлифтной установки: а положение эрлифта при выемке грунта; б схема работы эрлифта
смесителя 2, подъемной трубы 5, воздухоподающего 4 и сливного 5 трубопроводов, компрессора.
Всасывающее устройство предназначено для обеспечения равномерной и дозированной подачи твердого материала в подводящую трубу. В смесителе происходит смешивание пульпы и сжатого воздуха с отдачей энергии от воздуха к жидкости. Подъемная труба предназначена для перемещения трехфазной гидросмеси (вода + воздух + + твердый материал) от смесителя к воздухоотделителю. В последнем трехфазный поток гидросмеси разделяется на двухфазный (воздух + + пульпа). При этом пульпа направляется в сливной трубопровод, а воздух — в атмосферу. Воздухоподающий трубопровод предназначен для подачи сжатого воздуха от компрессора к смесителю.
Для нормальной работы эрлифта необходимо некоторое геометрическое погружение смесителя, глубина h которого зависит от высоты Н подъема гидросмеси и колеблется от нескольких метров до сотен метров. При этом с экономической точки зрения относительное погружение А - h(H + h) должно быть не менее 0,15. Для эрлифтных земснарядов эта величина, как правило, не менее 0,7. Основными расчетными параметрами эрлифта являются также: подача эрлифта Q3, составляющая от нескольких м3/ч до нескольких тысяч м3/ч; расход сжатого воздуха QB; удельный расход воздуха q - QB IQ3; диаметр подъемного трубопровода D. Между величинами q и А существует функциональная зависимость, используемая для расчета эрлифта.
Эрлифт может быть одно- и многосекционным, т.е. высота подъема гидросмеси практически не ограничена. Подъемные трубы могут располагаться как вертикально, так и наклонно.
Для длинных эрлифтов с целью уменьшения скорости движения гидросмеси (уменьшения динамических нагрузок и износа элементов эрлифтов) диаметр подъемного трубопровода делают переменным, увеличивая его по мере подъема гидросмеси.
Расчет эрлифтной установки заключается в определении подачи эрлифта, относительного погружения смесителя и расхода сжатого воздуха, диаметров воздухоподающего, подводящего и подъемного трубопроводов. Вначале выбирают компрессор насосов размыва грунта и подпитки, если она необходима, а затем рассчитывают всасывающее устройство, смеситель, воздухоотделитель, приемную емкость, портал и др.
Устройство противофильтрационных завес. Процесс устройства противофильтрационных завес по схеме, разработанной в Гидро-спецпроекте, состоит из двух операций: бурение направляющих скважин и прорезание в грунте щели водяной струей с одновременным заполнением ее противофильтрационным материалом. Диаметр направляющих скважин составляет 150—200 мм. На рис. 16.7 приводится схема устройства противофильтрационных завес.
Струйный монитор имеет боковое сопло, формирующее водяную струю, и торцевое отверстие для подачи материала заполнения. Он монтируется на базовой машине с гибкой подвеской на тросе или жестким закреплением на копровой направляющей стреле. При гибкой подвеске для стабилизации положения монитора относительно вертикальной оси используют различного рода фиксирующие устройства.
Струйный монитор опускают на дно направляющей скважины с ориентировкой водяного сопла по заданному направлению и по мере разрушения грунта поднимают вверх по скважине. Завесы сооружают отдельными секциями от скважины к скважине. Стыков-
Рис. 16.7. Схема устройства противофильтрационных завес:
а бурение скважины; б устройство секции завесы; 1 буровая установка; 2 подъемный механизм; 3 струйный монитор; 4 фиксирующее (направ ляющее) устройство; 5 компрессор; 6 водяной насос; 7 емкость для воды; 8 насос для раствора; 9 емкость для раствора; 10 растворный узел
ку секций обычно производят под углом порядка 130° с целью обеспечения надежного смыкания секций и предотвращения размыва незатвердевшего заполнителя в готовой секции водяной струей из примыкающей секции. Толщина завесы получается неодинаковой по ее длине и колеблется от 5 до 30 см.
К нагнетанию материала заполнения приступают сразу же после того, как из направляющей скважины начнет изливаться пульпа. Время размыва первичной прорези до излива пульпы из второй скважины в песках и супесях составляет 0,5—2 мин. Материал заполнения подается под давлением 3,5—6 МПа. В качестве проти-вофильтрационного материала используют глинистые твердеющие растворы в зависимости от предъявляемых к завесам требований. Твердеющие растворы позволяют получать завесы с коэффициентом фильтрации 10 5 м/сут.
Изливающуюся из направляющей скважины пульпу отводят в ловушки, устроенные заранее в виде скважин, канав или ям на некотором расстоянии от завесы. Осветленная после отстаивания пульпы вода может вторично использоваться для размыва грунта.
Подъем струйного монитора осуществляется со скоростью 2 м/мин в зависимости от вида грунта, давления водяной струи и требуемой толщины завесы. Необходимая скорость подъема монитора уточняется на месте при проведении опытных размывов. С целью получения противофильтрационной завесы большой толщины струйный монитор можно оснащать парными соплами, при этом возникает необходимость в использовании насосов с более высокой подачей. С целью сокращения сроков строительства работа струйного монитора возможна в двух направлениях, для чего монитор оснащают двумя диаметрально противоположными водяными соплами. Выбор насосного оборудования производят, исходя из следующих соображений: с увеличением диаметра сопла и расхода воды возрастает дальность размывающего действия струи, а с увеличением давления воды повышается способность струи к размыву более плотных грунтов.
В водонасыщенных грунтах водяная струя испытывает значительное сопротивление от грунтовой воды, в результате чего давление струи резко уменьшается уже в непосредственной близости от сопла монитора. Для предотвращения этого нежелательного явления
струйный монитор оснащают вторым соплом, образующим с водяным соплом кольцевой зазор шириной 1—3 мм, через который подается от компрессора сжатый воздух под давлением 0,6—0,7 МПа и расходом 2—4 м3/мин. Образующаяся при этом рубашка отделяет водяную струю от грунтовой воды и пульпы, увеличивая тем самым дальность ее действия.
Щели в грунте можно прорезать по двум схемам: сквозной и тупиковой. При сквозной схеме (рис. 16.8, а) работа ведется в двух скважинах — в одну опускается струйный монитор, а другая, в сторону которой направлена струя, служит для излива пульпы. При тупиковой схеме (рис. 16.8, б) одна и та же скважина служит для перемещения монитора и излива пульпы.
Сквозная схема имеет ряд преимуществ: возможность оперативно контролировать качество размыва прорези — выход пульпы из изливающей скважины свидетельствует о сплошном размыве прорези между скважинами, что позволяет непосредственно в процессе работы регулировать скорость подъема монитора, исключая перерасход раствора-заполнителя. Однако в этом случае требуется большое количество направляющих скважин. При тупиковой схеме требуется вдвое меньшее количество направляющих скважин и обеспечивается наибольшая дальность размыва прорези. Недостат
Рис. 16.8. Сквозная (а) и тупиковая (б) схема устройства противофильтраци онных завес
ками тупиковой схемы являются отсутствие визуального контроля за процессом размыва прорези и перерасход раствора-заполнителя.
Наиболее трудоемкая операция — бурение направляющих скважин; на нее затрачивается не менее 70—80 % времени, необходимого для сооружения завесы. Поэтому представляется перспективным разрабатываемый в настоящее время способ бурения направляющих скважин тем же струйным монитором, подавая напорную воду через дополнительное торцевое сопло.
Следует отметить ряд преимуществ струйной технологии создания противофильтрационных завес перед способом «стена в грунте». Струйная технология позволяет полнее решить задачу механизации процесса сооружения завес, при этом значительно сокращаются сроки строительства, уменьшаются энергоемкость и расход материалов, не требуются громоздкие строительные машины. Есть возможность выборочного устройства завес по высоте только в водонепроницаемых слоях грунта, а также под существующими сооружениями без их разборки. Струйную технологию для сооружения противофильтрационных завес можно использовать в илах, песках, супесях и суглинках, не содержащих крупнообломочных включений свыше 150 мм, а также в слабых скальных грунтах типа аргиллита. С учетом перспектив развития этой технологии глубина заложения сооружаемых с ее использованием противофильтрационных завес может превышать 100 м, а производительность — 800 м- завесы в смену.
Устройство несущих конструкций в грунте. Струйная технология может использоваться не только для создания противофильтрационных завес, но и при устройстве несущих конструкций в грунте, бетонных и грунтобетонных свай большого диаметра.
Достигается это вращением струйного монитора в направляющей скважине вокруг его вертикальной оси с одновременно медленным подъемом (рис. 16.9).
Диаметр таких свай в зависимости от вида грунта равен 2—5 м. Полость в грунте в данном случае прорезают по тупиковой схеме, т.е. одна и та же скважина служит для перемещения монитора и из-лива пульпы.
Конструкция струйных мониторов, используемых для сооружения свай, аналогична конструкциям мониторов, применяемых при устройстве противофильтрационных завес. Бетонные сваи получаются при
a
б
в
Рис. 16.9. Схема устройства свай круглого сечения:
а бурение скважины; б опускание в скважину струйного монитора; в устройство свай; 1 буровая установка; 2 подъемный механизм; 3 струйный
монитор; 4 вертлюг
размыве полости в грунте водяной струей, изливающейся из бокового сопла, и подаче через торцевое отверстие монитора бетона (песчаного или содержащего мелкофракционный щебень), а грунтобетонные — при размыве полости водяной струей и подаче через другое боковое сопло цементного молока или при размыве полости непосредственно цементным молоком. Вращением струйного монитора вокруг его вертикальной оси во втором случае обеспечивается рыхление грунта и перемешивание его с твердеющим материалом, в качестве которого, кроме цементного молока, применяют жидкое стекло и одно- или многокомпонентные химические растворы. Прочность материала грунтобетонных свай на сжатие в зависимости от вида грунта колеблется от 2 до 5 МПа. При этом прочность материала в песчаных грунтах получается большей, чем в глинистых.
В НИИОСП разработана струйная технология устройства экономичных свайных конструкций (рис. 16.10). Удельная (на единицу расхода материала) несущая способность таких свай в 1,5—1,8 раза выше удельной несущей способности свай, имеющих круглое поперечное сечение.
Рис. 16.10. Типы свайных конструкций: а круглого сечения; б трехлопастная; в четырехлопастная (крестооб разная); г четырехлопастная с наклонными лопастями; д трехлопастная с поперечными дисками; е винтообразная; ж корневидная
Двух-, трех- и четырехлопастные (в поперечном сечении) сваи устраивают при помощи струйных мониторов с боковыми соплами, расположенными диаметрально противоположно, через 120° и 90°. Монитор в направляющей скважине поднимают вверх без вращения вокруг вертикальной оси.
Если при подъеме монитора слегка его разворачивать вокруг вертикальной оси, то лопасти получаются с наклоном, в результате чего несущая способность свай увеличивается благодаря действию нормальных сил сопротивления грунта.
Сваи с винтовыми лопастями устраивают подъемом струйного монитора, имеющего одно, два или несколько боковых сопел, расположенных на разной высоте, с одновременным вращением вокруг вертикальной оси. Число винтовых лопастей на устраиваемых таким образом сваях соответствует числу сопел на мониторе. Шаг винтовых лопастей зависит от скорости подъема монитора.
Чередование вертикального подъема монитора с вращением вокруг вертикальной оси подъема позволяет получить сваи с уширением по высоте.
Сваи типа корневидных можно устраивать при помощи струйных мониторов, боковые сопла которых расположены под углом 30—45° к вертикали. Такие сваи располагают ярусами, при этом они могут быть в плане смещены одна относительно другой.
При действии на корневидные сваи горизонтальных нагрузок угол наклона корневидных лучей со стороны, противоположной нагрузке, может приближаться к 90°, что учитывается при ориентировке соответствующих сопел на мониторе.
В НИИОСПе сконструирована и изготовлена универсальная головка к струйному монитору, которая позволяет получать перечисленные разновидности свай, кроме корневидных, а также про-тивофильтрационные завесы. В качестве материала используется грунтобетон или бетон.
Встроенный в монитор клапан позволяет направлять водяную струю вниз для размыва направляющей скважины и автоматически переключать ее на боковые сопла для размыва полостей в грунте при подъеме монитора.
Если свая должна иметь повышенную прочность, материалом может служить фибробетон или железобетон. В последнем случае применяется разработанный в НИИОСПе способ армирования, заключающийся в опускании в скважину со струйным монитором сложенного арматурного каркаса и распрямлении его после прорезания в грунте полостей и заполнения их твердеющим раствором.
При устройстве свай и других конструкций в грунте образованные полости заполняют твердеющим раствором одновременно с размывом или последовательно: сначала — размыв полостей с оставлением в них пульпы или замещением ее глинистой суспензией, затем — укладка бетонной смеси в полость методом подводного бетонирования.
Ширина получаемых прорезей зависит от грунта и составляет 10—20 см, а при использовании монитора со сдвоенными соплами доходит до 40 см. Для получения более широкой прорези должны использоваться мониторы с большим количеством сопел. Длина прорезей в зависимости от вида грунта колеблется от 1 до 3 м.
Представляется перспективным использование струйной технологии при сооружении фундаментов в районах с недостаточно развитой индустриальной базой, в том числе фундаментов, имеющих небольшие размеры в плане и глубину заложения.
Лопастные сваи при сопряжении между собой в плане образуют ячеистые конструкции, которые могут использоваться для усиления слабых оснований и насыпей, служить в качестве коробчатых
фундаментов или ограждающих конструкций (рис. 16.11).
При необходимости из ячеек можно удалить грунт струйным или другим способом, а образующиеся полости заполнить песком, бетоном, железобетоном или другим материалом.
16.4. Компенсационное нагнетание
Рис. 16.11. Примеры выполнения ячеистых конструкций:
а усиление основания; б ограждающая стена
В последние годы в зарубежной практике метростроения для снижения осадок земной поверхности, подвижек и деформаций
грунтового массива в условиях плотной городской застройки все более широкое применение находит новая технология — компенсационное нагнетание строительного раствора в зону между верхом строящегося подземного сооружения и низом фундаментов зданий. Подавая в грунт под давлением стабилизирующий состав, создают «строительный подъем» массива, компенсируя таким образом потери грунта при проходке тоннеля и предупреждая тем самым повреждения поверхностных зданий и сооружений (рис. 16.12, а).
Применение компенсационного нагнетания возможно при строительстве подземных сооружений практически в любых нескальных грунтах естественной влажности, за исключением неустойчивых и закарстованных. В зависимости от прочностно-деформационных свойств грунтов применяют различные виды нагнетания: уплотняющее, фильтрационное и кливажное (рис. 16.12, б). Так, в несвязных грунтах с низкой степенью проницаемости применяют уплотняющее нагнетание жесткого строительного раствора, обладающего высокой вязкостью. Для этого в цементный раствор вводят мелкодисперсные добавки, а для обеспечения необходимого угла внутреннего трения — песок. При таком составе раствор не проникает в поры грунта, а остается в нем в виде инородного гомогенного тела. За счет этого происходит уплотнение и обжа-
Рис. 16.12. Принципиальная схема (а) и виды (б) компенсационного нагнетания: / кривая осадок после компенсационного нагнетания; 2 то же, без компен сационного нагнетания; 3 тоннель; 4 участки грунтового массива, подвер гнутые нагнетанию; 5 уплотняющее нагнетание; 6 то же, фильтрационное;
7 то же, кливажное
тие части грунтового массива и предотвращается развитие осадок ниже горизонта нагнетания [44].
В несвязных грунтах с высокой степенью проницаемости применяют напорное фильтрационное нагнетание жидкой смеси с высоким содержанием частиц твердой фракции, которые оседают вблизи инъ-ектора, а вода фильтруется в грунтовый массив. В глинистых грунтах эффективно кливажное нагнетание под большим давлением растворов, обладающих малой вязкостью, что способствует раскрытию в грунте трещин с образованием кливажа и обеспечивает проникание раствора в грунт. При этом объем инъекции должен быть строго ограничен, чтобы контролировать эффект нагнетания. Такая технологическая схема осуществляется в постадийном режиме с выдерживанием между отдельными стадиями интервалов, достаточных для обеспечения схватывания раствора, инъецированного на предыдущей стадии.
В большинстве случаев до начала основных работ по компенсационному нагнетанию выполняют так называемую преконсолидацию грунтового массива для его предварительного закрепления и предотвращения разуплотнения грунтовой толщи вследствие проходки подземного сооружения. Это повышает эффективность последующего компенсационного нагнетания.
В соответствии с конкретными инженерно-геологическими условиями, характером распределения и интенсивностью внешних нагрузок, а также требованиями технологии, зону инъекции размещают в непосредственной близости от земной поверхности (фундаментов зданий) или над перекрытием подземного сооружения. Работы по компенсационному нагнетанию производят либо с поверхности, либо из существующих или устраиваемых подземных выработок (шахтных стволов, камер, котлованов, подвальных этажей зданий и т.п.), забуривая вертикальные, горизонтальные или наклонные скважины, либо погружая в грунт специальные инъекторы.
Вне зависимости от применяемой технологии нагнетания инъекторы погружают в грунт до приближения фронта горнопроходческих работ. При фильтрационной и кливажной схемах нагнетания, когда используют текучие растворы, предпочтительнее манжетные инъекторы малого диаметра многоразового применения. Вязкие растворы при уплотняющем режиме требуют применения инъекторов большого диаметра из-за необходимости их периодического разбуривания после забивания раствором на каждой стадии нагнетания.
В качестве стабилизирующих составов используют цементнопесчаный или цементно-бентонитовый раствор с добавками, регулирующими вязкость, сроки схватывания, твердения и пр. Объем и давление нагнетания определяют соответствующими расчетами и корректируют в зависимости от поведения грунтового массива и наземных зданий и сооружений.
Наиболее крупномасштабные работы такого рода выполнены на строительстве станций Юбилейной линии (12,4 км) метрополитена в Лондоне («Вестминстер», «Ватерлоо», «Лондон бридж», «Грин парк»), расположенных на участках плотно застроенной территории с 4 тыс. зданий, многие из которых имеют историческую и архитектурную ценность. При возведении пересадочной станции «Вестминстер» нагнетание вели в толщу лондонских глин, залегающих под слоем гравия. Из пяти шахтных стволов были задавлены манжетные инъекторы с шагом 1 м суммарной длиной около 1 км. Применение компенсационного нагнетания позволило избежать чрезмерных осадок грунтового массива и земной поверхности.
Станционный комплекс «Саутворк» включает в себя: три эскалаторных тоннеля, средний станционный тоннель диаметром 9,2 м, два путевых тоннеля диаметром по 7 м, систему соединительных подходных вырабо
ток и шахтных стволов. Тоннели пролегают под опорами железнодорожного путепровода на глубине 4,9—15 м от поверхности земли в толще лондонских глин. Проходку тоннелей со сборной железобетонной обделкой вели из пилот-тоннелей диаметром 4,4 м. Во избежание осадок путепровода было предусмотрено компенсационное нагнетание с предварительной стабилизацией грунтового массива системой нагелей длиной 7—11 м и диаметром 25 мм, которые закрепляли в пробуренных из пилот-тоннелей шпурах цементным раствором (рис. 16.13).
В каждой заходке закрепляли 12 нагелей с шагом 1,2 м. По мере расширения тоннельных выработок части нагелей срезали. После стабилизации грунтового массива выполняли компенсационное нагнетание. Инъекторы устанавливали с поверхности земли и из двух временных шахтных стволов. Общий объем компенсационного нагнетания составил 1800 м3. Таким образом под опорами железнодорожного путепровода были созданы грунтоцементные плиты, что позволило ограничить осадки до 25 мм вместо 130 мм, прогнозируемых при отсутствии компенсационного нагнетания.
Кливажную технологию компенсационного нагнетания использовали при строительстве ряда подземных объектов в Австрии. Так, при возведении трехсводчатой станции длиной ПО м, пролетом 30 м и высотой 8 м Венского метрополитена применили новоавстрийский метод с раскрыти-
Рис. 16.13. Схема компенсационного нагнетания над станцией метрополите на «Саутворк» в Лондоне:
1 аллювиальные отложения; 2 опора железнодорожного путепровода;
3 скважины для нагнетания в гравийную толщу; 4 гравий; 5 глина;
6 манжетные инъекторы; 7 зона консолидации грунтов; 8 зона ком пенсационного нагнетания; 9 уровень измерений осадок; 10 путевые тон нели; 11 станционный тоннель; 12 промежуточный вестибюль
ем выработки по частям. Станция заложена в жестких третичных глинах и плотных илистых грунтах на 12 м ниже подошвы фундамента 5-этажного кирпичного административного здания, построенного в начале XX в. Для производства инъекционных работ из специально пройденной вспомогательной выработки в грунт задавили горизонтальные манжетные инъек-торы, расположив их в три яруса примерно посередине между подошвой фундамента здания и щелыгой свода станционного тоннеля (рис. 16.14).
После преконсолидации грунтового массива проводили нагнетание укрепляющего раствора в соответствии с технологической последовательностью раскрытия станционной выработки в 7 этапов. В процессе проходки тоннелей и компенсационного нагнетания вели мониторинг перемещений грунтового массива и состояния наземного здания с помощью деформомет-ров и экстензометров. Кроме того, измеряли осадки поверхности земли на территории прилегающего парка. По результатам мониторинга было установлено, что по окончании проходки станционных тоннелей осадки непосредственно под фундаментом здания не превышали 35 мм, а за пределами зоны нагнетания составляли 75—80 мм. На отдельных этапах нагнетания были зафиксированы «подъемы» здания на 10 мм. На территории парка при отсутствии компенсационного нагнетания осадки достигали 100 мм.
Известная французская фирма «Солетанш Баши» на протяжении десятилетий выполняет значительные объемы работ по стабилизации грунтов инъекционными способами (рис. 16.15). Важнейшими слагающими успехов этой фирмы в выполнении различных способов инъекции являются: новые экологически чистые растворы с высокой долговечностью и проницаемостью; применение электроники и информатики на всех этапах, обес-
0 5 10 15м
Рис. 16.14. Схема компенсационного нагнетания над станцией метро в Вене: 1 песок; 2 глина; 3 административное здание; 4 зона закрепленно го грунта; 5 станция метрополитена; 6 шахтный ствол
a
Рис. 16.15. Инъекционное закрепление грунтов: а опережающая обработка; б инъектированная завеса; в обработка с поверхности; г инъектированная фундаментная плита
печивающее строгое соблюдение технических требований и наглядность всех процессов.
В России компенсационное нагнетание в широких масштабах не применялось, однако в связи со значительно возросшими объемами подземного строительства в Москве и других крупных городах подобная технология должна быть востребована. В частности, на строительстве крупнейшего Лефортовского тоннеля в Москве возникла необходимость выработки защитных мер по ограничению сдвижений и деформаций грунтового массива, поверхности земли и ценных архитектурно-исторических ансамблей. В качестве одной из наиболее эффективных мер по ограничению осадок и деформаций зданий признано компенсационное нагнетание. Здесь впервые в России была разработана технологическая схема нагнетания твердеющих смесей в грунтовый массив между кровлей тоннелей и фундаментами зданий и выполнен большой объем работ по компенсационному нагнетанию.
Контрольные вопросы к главе 16
1. На какие группы подразделяются все специальные способы работ в подземном строительстве?
2. В чем состоит сущность химического закрепления грунтов?
3. Что лежит в основе способа замораживания грунтов?
4. На чем основан способ строительного водопонижения?
5. Какие существуют разновидности глубинного обжига грунтов?
6. В чем заключается сущность струйной технологии?
7. Какие методы струйной технологии вам известны?
8. В чем состоит различие струйной технологии устройства противофильтрационных завес и несущих конструкций в грунте?
9. Как вы понимаете способ борьбы с осадками земной поверхности с помощью компенсационного нагнетания?
Глава 17. СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ РАБОТ
77.7. Строительство подземных сооружений под защитой опережающей крепи
Защитный экран из труб. Способ проходки с устройством защитного экрана из труб получил довольно широкое распространение, особенно в случае преодоления зон тектонических разломов, а также при строительстве городских тоннелей мелкого заложения, когда необходимо обеспечить минимальные осадки земной поверхности [43, п. 2.9; 93, п. 30.2].
Под защитой экранов из труб диаметром от 0,2 до 2,5 м построено большое количество тоннелей длиной до 80 м, различных размеров и форм поперечного сечения. Увеличение длины может быть достигнуто созданием промежуточных шахт или котлованов задавливания.
Впервые этот способ применили в начале 70-х гг. 20 в. на ряде объектов в ФРГ, используя стальные трубы со стенками толщиной 10—20 мм. Поскольку грунт разрабатывали и грузили вручную, диаметр труб должен был составлять не менее 1200 мм. При строительстве пересадочной станции в г. Антверпен (Бельгия), имеющей заложение верха конструкций 1,5—2,0 м, защитные экраны применили дважды: над станцией из открытого котлована и для пристанционного участка перегонного тоннеля из подземной выработки. Оба экрана выполнили из асбоцементных труб диаметром 1200 мм с толщиной стенок 60 мм. Трубы экранов разместили с промежутком около 10 см, образовав почти непрерывный свод. Зазоры между трубами и пустоты в грунте зацементировали.
В отдельных случаях защитный экран устраивают, продавливая трубы в поперечном к оси тоннеля направлении. Таким образом устраивали экраны из труб диаметром 2500 мм на участке метрополитена во Франкфурте-на-Майне (Германия) вблизи фундаментов зданий (рис. 17.1, а).
В котловане, раскрытом рядом с фундаментами, забетонировали упоры и смонтировали установки для задавливания труб с 4 домкратами грузоподъемностью по 3000 кН (рис. 17.1, б). Звенья длиной от 1 до 3,5 м соединяли сваркой. Общая длина труб с учетом ширины обделки и длины участков опирания составляла от 13 до 25 м. Ножевую часть головного
Рис. 17.1. Схема экрана из труб (а) и установки для их задавливания (б): 1 фундамент здания; 2 котлован; 3 буровые сваи; 4 трубы; 5 упор; 6 домкраты; 7 бетонное основание;
8 расстрел
звена изготавливали из листа толщиной 5 см и усиливали дополнительным кольцом, чтобы снизить усилия задавливания. Грунт в головной части труб разрабатывали вручную, залавливая их со средней скоростью 2 м в смену.
Защитные экраны в сочетании с поддерживающими элементами (стальными арками, арками, омоноличенны-ми бетоном, монолитной бетонной или железобетонной обделкой, сборной железобетонной или чугунной обделкой) могут быть использованы при сооружении рассечек стволов. В этих целях используют трубы диаметром 95—500 мм, полые или заполненные бетоном или цементным раствором. Трубы требуемой длины составляют из отдельных звеньев длиной 1,5—6,0 м, соединенных меж
ду собой сваркой или свинчиванием, и размещают с зазором одна
относительно другой или вплотную.
Бетонная крепь в опережающих выработках. В последние годы в
практике подземного строительства наметилась тенденция использования в качестве опережающей крепи системы вспомогательных тоннельных выработок, пройденных по контуру будущего объекта и заполненных бетоном или железобетоном. Такая крепь может входить в состав постоянной несущей конструкции и воспринимать давление грунта на стадии как строительства, так и эксплуатации сооружения.
Впервые опережающую крепь из заполненных бетоном контурных штольневых выработок условным диаметром 3 м применили при строительстве двухъярусного автодорожного тоннеля наруж
ным диаметром 24,4 м и длиной 450 м в Сиэтле (США). Аналогичным способом сооружали камеру съездов на французском берегу тоннеля под проливом Ла-Манш.
Дальнейшее развитие рассматриваемый способ получил при использовании технологии микротоннелирования. В последние годы
во многих странах созданы механизированные комплексы для сооружения тоннелей малых (менее 2 м) диаметров, в состав которых входит щитовой агрегат с рабочим органом сплошного или избирательного действия и средствами стабилизации забоя, устройства для удаления разработанного грунта и измельчения каменистых включений, домкратные установки, а также системы дистанционного и автоматизированного управления. Такие комплексы позволяют вести проходку в широком диапазоне инженерно-геологических условий.
В настоящее время более 30 фирм изготавливают свыше 100 типов таких комплексов. Наибольшее распространение получили агрегаты фирм «Исеки-Политех» (Япония), «Херренкнехт», «Вирт», «Вестфалия Люнен» (Германия), «Кеннеди Констракшн», «Декон Инжиниринг» (Англия) и др.
С применением микротоннельной технологии в Милане (Италия) возведена односводчатая станция метрополитена «Венеция» длиной 216 м и
пролетом 28,2 м с двумя боковыми платформами (рис. 17.2).
Станция расположена под застроенной территорией на глубине 3,9 м от поверхности земли в несвязных слабоустойчивых грунтах (илы, пески и гравий). Уровень грунтовых вод располагается выше подошвы станции.
В связи со сложными условиями для строительства станции приняли нестандартную технологию, предусматривающую проходку по контуру сводовой части микротоннелей с обделкой из железобетонных секций. Их подкрепляли мощными железобетонными арками, опирающимися на массивные бетонные сте
Рис. 17.2. Поперечное сечение станции «Венеция» Миланского метрополитена
ны, возведенные в специально пройденных галереях. Основные этапы работ показаны на рис. 17.3.
Возведение станции начали с сооружения центрального пилот-тоннеля диаметром 3,3 м, из которого инъектировали в грунт стабилизирующие составы и химические вещества. Проходку вели тоннелепроходческой машиной (ТПМ) «Баден-Баден» с креплением выработки стальными кольцами и деревянной затяжкой. По контуру тоннеля забуривали веерные скважины, в которые помещали полихлорвиниловые трубки малого диаметра и через них в грунтовый массив нагнетали цементный раствор и химические вещества по технологии Родио-Икос.
Рис. 17.3. Этапы сооружения станции «Венеция» {а в) и поперечных несу щих арок (г):
1 стена; 2 галерея; 3 микротоннели; 4 пилот тоннель; 5 бетонное заполнение; 6 поперечная траншея под арку; 7 железобетонная попереч ная арка; 8 обратный свод
После стабилизации массива с поверхности земли раскрыли стартовый котлован глубиной 10 м, из которого по контуру свода будущей станции вели проходку 10 микротоннелей наружным диаметром 2,1 м и длиной 216 м. Из-за невозможности устройства двух таких котлованов проходку в ее торцах вели на 156 м в одном направлении и на 60 м в противоположном. Два щитовых агрегата с рабочим органом роторного действия работали одновременно, начиная с крайних микротоннелей и кончая замковыми. В качестве обделки применили железобетонные секции наружным диаметром и длиной 2 м с толщиной стенок 15,24 см, которые продавливали гидравлическими цилиндрами. При этом на участке 156 м использовали промежуточные домкратные установки. Разработанный грунт выгружали через короткую конвейерную ленту в вагонетки, отвозили в стартовый котлован, где перегружали в думперы. По окончании проходки очередного микротоннеля рабочий орган щита демонтировали, а свободное пространство заполняли бетоном.
Железобетонные арки пролетом 22,2 м для подкрепления секций микротоннелей устраивали в поперечных криволинейных траншеях. Для этого с каждой третьей секции с помощью алмазных фрез срезали нижнюю половину и вручную разрабатывали траншею глубиной и шириной 2 м в сторону замка свода. После установки арматурного каркаса и металлической опалубки арки бетонировали, подавая раствор бетононасосами Путц-майстер-1004 и Вартингтон WPM-6000 через отверстие в одной из замковых труб. Для крепления подвесок, поддерживающих потолок станции, в бетоне оставляли закладные детали. Всего было забетонировано 37 арок. Таким образом было создано сводчатое перекрытие, обладающее высокой несущей способностью и жесткостью.
Одновременно с устройством перекрытия сооружали две боковые галереи подковообразного поперечного сечения высотой 10,8 м и шириной 6,9 м, обеспечивающие подходы для устройства арок и пространство для размещения боковых стен станции. На первом этаже галереи проходили не на полный профиль, оставляя с внутренней стороны боковые уступы высотой 3,8 м. Грунт разрабатывали двумя ТПМ BFR-45 с радиальным и BFR-75 с фронтальным рабочими органами на стрелах длиной соответственно 1,5 и 3,2 м, размещенными на базе экскаваторов RH-6 и PMI-1300, и грузили колесными погрузчиками.
Контур галерей закрепляли слоем набрызгбетона, по которому устраивали гидроизоляцию из полихлорвиниловой пленки, покрытой с двух сторон листами геотекстиля для обеспечения дренажа. В галереях бетонировали стены станции, на которые опирали поперечные арки свода. По окончании возведения стен и верхнего свода разрабатывали грунт в нижней части станции и сооружали обратный свод. После разработки грунтового ядра внутренние стены галерей из набрызгбетона разрушали.
Механизированные комплексы для сооружения выработок малых диаметров (от 250 мм до 1500 мм внутренние и от 340 мм до 1940 мм наружные) в нашей стране в основном применяют для бестраншейной прокладки трубопроводов между стартовой и приемной шахтами (котлованами), находящимися на расстоянии до 120 м одна от другой. Это расстояние может быть при необходимости увеличено в несколько раз вводом в состав микротоннелепроходческих комплексов (МТПК) специального дополнительного оборудования промежуточных прессовых станций.
Бестраншейную прокладку трубопроводов с применением МТПК можно вести как под свободной территорией, так и в условиях, когда по трассе или вблизи нее располагаются здания, сооружения, подземные коммуникации, железнодорожные и трамвайные пути, автомобильные дороги с различного вида покрытиями, пешеходные дорожки и переходы, зеленые насаждения, водотоки и водоемы.
Минимальная глубина заложения верха трубопровода, прокладываемого с применением МТПК, относительно земной поверхности должна быть не менее 1,5 2 диаметров трубопровода, но в любом случае не менее 1 м; также не менее 1 м должен быть зазор между прокладываемым трубопроводом и расположенными в земле подземными коммуникациями и сооружениями.
МТПК в зависимости от используемого в них способа транспортировки разработанного грунта делятся на 3 вида: с пневмо-, гидро- и механической (шнековой) транспортировкой разработанного грунта (рис. 17.4).
МТПК со шнековой транспортировкой грунта применимы, в основном, лишь в нескальных грунтах при высоте слоя грунтовой воды над верхом трубопровода до 5 м. Сведения о номенклатуре микротоннелепроходческих комплексов, выпускаемых различными фирмами, и их технических характеристиках приведены в прил. Б, а отечественных комплексов в работе [71].
Принцип предварительного щелеобразования. К числу перспективных направлений развития современного тоннелестроения следует отнести принцип предварительного щелеобразования, на основе которого могут быть созданы рациональные конструкции тоннельных обделок и технологии проходки.
Для преодоления участков слабоустойчивых грунтов в ряде случаев, по аналогии со способом опережающей крепи, контурную прорезь заполняют набрызгбетоном, монолитным бетоном или бетонными плитами, а под прикрытием образовавшегося свода раскрывают выработку и возводят обделку. Впервые метод устройства такой крепи был разработан и внедрен во Франции при проходке двухпутного перегонного тоннеля метрополитена на линии Марн-ла-Валле
в Париже. В настоящее время он широко применяется и совершенствуется в США, Японии, Германии и других странах.
Сущность метода заключается в следующем. Специальной машиной с барово-цепным органом по контуру выработки нарезается щель глубиной до 3 м и толщиной до 20 см, которая заполняется бетонной смесью с ускорителями схватывания. Через 5—8 ч после твердения смеси под защитой образовавшегося свода разрабатывается грунт. Щель прорезают под небольшим наклоном к продольной оси тоннеля (5—6°), в результате чего защитная оболочка принимает коническую форму, а смежные
Рис. 17.4. Конструктивно технологическая схема МТПК со шнековой транспорта ровкой грунта фирмы «Зольтау»:
1 ЩММ; 2 прессовая станция; 3 грунтовая бадья; 4 шнековая транс портная труба; 5 управляюще сило вой контейнер; 6 крановая установка; 7 лазер; 8 лазерный кронштейн; 9 труба прокладываемого трубопровода
участки соединяются между собой внахлестку. Опережающую бетонную крепь можно усиливать металлическими арками. Обычно ее устраивают в калоттной части тоннеля. Постоянную обделку возводят на расстоянии 15—20 м от забоя, после чего ведут разработку уступа.
Некоторые изобретения и исследования в области метростроения касаются способов нарезки контурной щели и последующей разработки грунтового ядра. В Японии, например, щель по контуру выработки предлагается нарезать высоконапорными водяными
струями, а грунтовое ядро для ослабления перед разработкой облучать микроволнами. Другой вариант — нарезать щели по всей плоскости забоя при помощи плазменных горелок. Материал между получаемыми прорезями дробят неоднородным его нагреванием между двумя горелками.
Метод проходки с опережающей бетонной крепью (ОБК) позволяет добиваться высокого качества возводимой тоннельной конструкции за счет ровного контура образуемой прорези. Полностью исключаются переборы грунта, а скорости проходки достигают 3—4 м/сут. Метод обеспечивает незначительные осадки поверхности земли, которые уменьшаются в сравнении с традиционными методами в 4—6 раз. Бетонная крепь, устроенная в контурной прорези, является не только временной, но и элементом обделки тоннеля.
Проведенные исследования показали, что способ проходки с ОБК имеет много общего с новоавстрийским (НАТМ). В обоих случаях используют, как правило, одни и те же элементы для устройства крепи — набрызгбетон, анкеры или металлические арки. Однако основное сходство заключается в характере работы устраиваемых первичных крепей. Анализ результатов измерений, осуществленных во время проходки с опережающим бетонным креплением калотты тоннелей метрополитена в Париже, показал, что ОБК работает, в основном, на сжатие благодаря хорошему сцеплению с грунтом и возникновению вследствие этого значительных сил трения по ее наружной поверхности, где концентрируется большая часть усилий. Вследствие этого опережающая крепь работает как оболочка.
Таким образом, взаимодействие системы «крепь — грунтовый массив» при ОБК аналогично НАТМ. Основное различие между двумя способами заключается во времени устройства крепи. При НАТМ оболочку из набрызгбетона возводят с отставанием не менее 1—2 м от плоскости забоя после производства около 40 % всего объема разработки грунта заходки. При ОБК оболочку возводят с опережением забоя на 2—3 м. Именно это отличие обусловливает основное преимущество рассматриваемого способа. Его эффективность повышается, когда кольцо крепи замыкается как можно ближе к забою. Этого позволяет добиваться усовершенствованная технология ОБК, примененная при строительстве метрополитена в Лилле во Франции (рис. 17.5).
Рис. 17.5. Технологическая схема проходки тоннеля полным сечением с опережающей бетонной крепью:
1 бетонная крепь; 2 щеленарезная машина; 3 металлическая арка; 4 опалубка; 5 бетонные блоки подошвы; 6 машина для торкретирования
При строительстве метрополитена в Лилле применили обе технологии проходки с опережающей крепью: с опережающей калоттой, примененную в Париже, и усовершенствованную на полное сечение. В обоих случаях тоннели сооружали одинакового поперечного сечения площадью около 40 м2 с пролетом 6,8 м в аналогичных грунтовых условиях (трещиноватых меловых грунтах). Сравнение развития осадок поверхности земли во времени показало, что при проходке полным сечением по усовершенствованной схеме обеспечивается снижение осадок в 2—3 раза.
Заслуживает внимания японский опыт применения способа опережающего бетонного крепления в несвязных слабоустойчивых грунтах (песках). При этом исследовали такие вопросы, как определение оптимального состава бетонной смеси для набрызгбетони-рования в торец выработки, в узкую глубокую щель и совместная работа бетонной крепи с арками, анкерами и грунтовым массивом.
В результате проведения экспериментов по торкретированию щели «сухим» и «мокрым» способами пришли к выводу, что «мокрый» способ обеспечивает лучшее качество бетона. Применение «мокрого» способа при строительстве тоннеля Акико обеспечивало через неделю после нанесения прочность бетона опережающей крепи на сжатие в среднем 40 МПа. Распределение нагрузки от давления грунта между бетоном и металлическими арками происходило в соотношении 3:1. Строительство тоннеля Акико показало возможность использования способа опережающей бетонной крепи в несвязных песчаных грунтах, что расширило область его применения. Этого удалось достичь путем монтажа на каретке щеленарезной машины, кроме бара, еще и сопла торкрет-машины, а также защитной перегородки между соплом и режущей цепью. Сопло и перегородка могли перемещаться вдоль оси бара, что позволило бетонировать опережающую крепь по мере нарезки щели.
Определенный интерес вызывает новая японская технология устройства ОБК в виде серии жестких арочных оболочек, образующих непрерывную первичную крепь (рис. 17.6), под защитой которой разрабатывают грунт и возводят вторичную крепь — обделку.
По сравнению с плоской арочная крепь характеризуется более высокой жесткостью и несущей способностью за счет проявления арочного эффекта не только в поперечном, но и в продольном направлении. Таким образом достигается стабилизация забоя тоннельной выработки, предотвращаются осадки грунтового массива и сводятся к минимуму деформации близлежащих зданий и сооружений.
Для создания криволинейных в продольном направлении прорезей в грунтовом массиве сконструированы автоматизированный щеленарезной агрегат PLS с баровым рабочим органом дугового типа, перемещающимся по направляющей арке, и бетоноукладочное оборудование (рис. 17.7).
Радиус кривизны направляющей дуги составляет 6,5 м, глубина нарезаемой щели — 3,8 м, высота — 0,4 м.
С использованием принципа щелеобразования в нашей стране разработаны и защищены авторскими свидетельствами конструктивные и технологические решения, которые могут найти применение в практике метро- и тоннелестроения. В частности, предварительное щелеобразование положено в основу новой технологии,
2
Рис. 17.6. Технологическая схема устройства ОБК:
7 — забой тоннеля; 2 — опережающая бетонная крепь; 3 — привод рабочего органа; 4 — тоннельный экскаватор; 5 — автобетоносмеситель; 6 — автобетононасос; 7 — щеленарезная машина
Рис. 17.7. Схема щеленарезной машины PLS:
1 баровый рабочий орган; 2 оболочка; 3 направляющая дуга;
4 вторичная крепь; 5 привод рабочего органа; 6 аутригеры;
7 рельсовые пути; 8 опалубка
обеспечивающей сведение к минимуму осадки земной поверхности и грунтового массива при проходке тоннелей мелкого заложения в зоне подземных коммуникаций. Работы по возведению тоннельных конструкций производят в следующем порядке (рис. 17.8).
Вначале способом «стена в грунте» возводят боковые стены тоннеля, а затем из забоя выработки устраивают опережающую щель, горизонтальную в поперечном и наклонную в продольном направлениях. Угол наклона щели составляет от 2 до 6,5° для грунтов средней крепости и от 6,5 до 15° — для слабых грунтов. Щель толщиной 0,3—0,5 м устраивают между траншейными стенами на глубине не менее 1,5—2 м от земной поверхности, заполняя ее сборны-
Рис 17.8. Схема проходки тоннеля мелкого заложения с опережающей крепью: 1 опережающая крепь; 2 обделка тоннеля; 3 опережающая щель;
4 «стена в грунте»; 5 гидроизоляция
ми железобетонными плитами или монолитным бетоном. Длину щели назначают в грунтах средней устойчивости не более 30 % длины заходки, а в слабоустойчивых грунтах — до 50 % длины заходки. Под прикрытием образованной крепи разрабатывают грунт на величину до 3,5 м. Далее устраивают гидроизоляцию лотка, стен и перекрытия из рулонных или пленочных материалов и возводят окончательную обделку из монолитного железобетона. При этом временная крепь входит в состав постоянной несущей конструкции тоннеля. Использование сборных железобетонных плит для заполнения щели позволяет начать разработку грунта на величину заходки сразу же после устройства перекрытия, в то время как заполнение щели монолитным бетоном требует прерывания операций проходческого цикла на время набора бетоном минимально требуемой прочности.
Дальнейшим развитием рассматриваемой технологии является способ «плиты в грунте», который можно применять как на мелком, так и на глубоком заложении. «Плиты в грунте», располагаемые по контуру будущего подземного сооружения в предварительно нарезанных непрерывных щелях, устраивают следующим образом (рис. 17.9).
В первую очередь проходят не менее двух опережающих выработок в виде штолен, пилот-тоннелей или траншей на всю длину подземного сооружения или определенного его участка. В выработках укладывают направляющие, по которым перемещается щеленарезное оборудование. Для его перемещения могут быть использованы лебедки, установленные на противоположном конце опережающих выработок. Рабочий орган щеленарезной машины может иметь тот же принцип действия, что и дорожные машины типов Б1М-3, АРГ-1, ССАИ-4, АУГ-1 и др.
В подземных сооружениях глубокого заложения для нарезки щели сначала может быть пройдена дополнительная поперечная выработка, соединяющая между собой продольные выработки, из которой начинает движение щеленарезная машина. Щель нарезают параллельно оси будущего сооружения и одновременно заполняют ее бетонной смесью или сборными железобетонными плитами. После устройства крепи на проектную длину вспомогательные выработки бетонируют. В отличие от уже рассмотренной технологии, длина нарезаемой щели практически не ограничена, что позволяет создавать сплошную горизонтальную или наклонную «плиту в грунте» без перекрытия соседних участков. Это существенно расширяет возможности и область применения способа.
При строительстве тоннелей мелкого заложения новую технологию можно применять также в сочетании со «стенами в грунте», после устройства которых возводят забойный котлован до уровня низа перекрытий тоннеля с упором для домкратов. Вдоль оси тоннеля проходят опережающие вспомогательные траншеи до уровня низа перекрытия шириной 1,5—2 м по осям стен. Поверху стен укладывают направляющие рельсы в уровне низа перекрытия, на которые опирают щеленарезную машину.
Нарезку щели начинают из забойного котлована, залавливая щеленарезное оборудование в грунтовый массив домкратной уста-
2
1
7^7
—/----\222 222 222 222 2221/2 222 222
, t 4£^/// /// //Ь/£^ /«' jlOIOI 01 0 I 0 I 0 I 010 I 0 i 0 I 01 0 1 01
777$
/// //2 2/2 222 222 222 222 /2/
4
,5...2,Ом
1,5...2,Ом
7...10,Ом
7 ьб 8
2,0...3,0 м
9
1,0...2,0 м
2
Рис. 17.9. Принципиальная схема возведения «плиты в грунте»:
1 траншея; 2 баровый рабочий орган щеленарезной машины; 3 привод;
4 бетонная подготовка; 5 упор; 6 домкраты; 7 плиты; 8 ножевая часть; 9 забойный котлован
новкой. Разрабатываемый грунт перемещают в траншеи, откуда удаляют в отвал. В пространство между домкратами и щеленарезной машиной устанавливают первую плиту перекрытия, которая может быть объединена с машиной. Кроме того, как и все последующие, она может опираться на направляющие пазами, предусмотренными по торцам. В продольном направлении плиты могут объединяться между собой по схеме «паз — гребень».
Для предотвращения заклинивания рабочего органа щеленарезной машины необходимо включить ее привод несколько раньше, чем домкратную установку. Желательно, чтобы ширина плит соответствовала ходу штоков домкратов. После задавливания первой плиты в щель штоки домкратов возвращают в исходное положение. Затем устанавливают вторую плиту и повторяют операции до тех пор, пока конструкция не будет возведена по всей длине. Для снижения сил трения между грунтом и плитами в пространство между ними можно подавать антифрикционные составы типа бентонитовой суспензии или предусматривать покрытие плит материалами с низким коэффициентом трения. Использование способа позволяет устраивать подземные сооружения различных форм и размеров поперечного сечения (рис. 17.10), в том числе перегонных тоннелей и станций метрополитена, автодорожных и пешеходных тоннелей мелкого и глубокого заложения в разнообразных инженерно-геологических условиях. При этом в процессе строительства практически исключаются деформации грунтового массива, повышается безопасность ведения работ, появляется возможность создания рациональных и экономичных конструкций подземных сооружений.
С целью внедрения конструкций и технологий строительства тоннелей с использованием предварительного щелеобразования необходимо создать специальное оборудование, приспособленное для работы в различных грунтах.
Впервые в практике отечественного метростроения технология с использованием опережающей крепи реализована при сооружении ст. «Адмиралтейская» в Санкт-Петербурге. Необходимость поиска новых решений при строительстве этой станции, расположенной в центре города, была вызвана жесткими требованиями к величине осадок земной поверхности в связи с наличием на поверхности зданий, являющихся памятниками истории и культуры. Применение технологии, предложенной специалистами ОАО «Метро-
б
a
?/////////// к/ ////// ///
/// 70 77 77 77 77 77 77
Рис. 17.10. Конструктивные формы подземных сооружений, возводимых с применением «плиты в грунте»:
а.. .г сечения выработки; 1 «стена в грунте»; 2 траншея; 3 «плита в грунте»;
4 лоток; 5 опережающая выработка; 6 бетонное основание; 7 колонна
строй» и ЗАО «Метрокон», позволило исключить образование пустот за обделкой. Быстротвердеющий бетон, нагнетаемый в прорезь, заполнял все полости и трещины в грунте и, играя роль горизонтальной «стены в грунте», препятствовал смещениям массива.
Изменяя прочностные характеристики нагнетаемого бетона и время его твердения, применяя армирование разного вида (сетки, фибры) и меняя конструктивные параметры (толщина, глубина заходки и др.), можно управлять жесткостью и прочностью конструкции опережающей крепи в широких пределах. Опережающая крепь не изменяет защитные свойства в зависимости от глубины заложения, а скорость проходки снижается незначительно по сравнению со скоростью сооружения свода, обжимаемого в грунт.
Реализация описанной технологии осуществлялась в два этапа. Первый этап — создание механизированного комплекса для образования опережающей забой прорези, подбор состава быстротвер-деющего бетона, прогнозный анализ несущей способности опережающей крепи. Второй этап — внедрение разработок на объектах.
Изучение отечественных и зарубежных технических публикаций по данному вопросу и патентный поиск позволили разработать и изготовить головной образец агрегата — агрегат сооружения свода калотты (АСК). Он позволяет создавать опережающую прорезь в грунте и возводить постоянную обделку из сборных элементов. Агрегат конструктивно выполнен как совмещенная машина на базе врубовой машины Урал-ЗЗМ и блокоукладчика типа УБК (рис. 17.11).
Агрегат АСК выполняет два основных цикла работ. Первый — нарезка дуговой щели с последующим заполнением ее быстротвер-
Рис. 17.11. Схема создания опережающей временной крепи агрегатом АСК:
а схема агрегата; б схема крепи; 1 портальная рама; 2 укладчик блоков об делки; 3 передняя дуговая направляю щая; 4 задняя боковая направляющая;
5 каретка; б продольная рама; 7 подрезочная машина; 8 бетонная опере жающая крепь; 9 конструкции боковых станционных тоннелей
деющей бетонной смесью, в результате чего образуется бетонная опережающая крепь в виде конусной арки. Крепь сооружается выше контура постоянной обделки (с зазором 80 мм для возможности ее монтажа) и обеспечивает закрепление кровли забоя в секторе 96°. В продольном направлении крепь располагается под углом 15° к оси тоннеля.
Второй цикл — монтаж блоков постоянной обделки станционного тоннеля. При этом дуга укладчика поднимается на проектную отметку, обеспечивающую верхним рольгангам превышение наружного контура обделки свода на 80 мм. Блоки подают на верхний рольганг с помощью телескопического подъемника и транспортируют по верхнему рольгангу к месту их установки. После установки замкового блока в
пространство между блоками и крепью нагнетают быстротвердею-щий раствор и обжимают собранный свод в грунт.
Одновременно с работой механизированного комплекса подбирают состав быстротвердеющего бетона, нагнетаемого в прорезь. Исследования показали, что прочность бетона при твердении опережает рост напряжений в крепи от изменяющейся во времени нагрузки.
С целью увязки во времени всех технологических параметров по возведению и временной, и постоянной крепи и обеспечению высоких скоростей проходки разработана циклограмма на заходку 1,4 м при непрерывной работе по скользящему графику в три смены по 7 ч 12 мин каждая. Скорость проходки — 37 колец, или 27,75 м/мес.
Применение новой технологии с использованием агрегата АСК позволило уменьшить величину осадок земной поверхности до 30—40 мм вместо прогнозируемых 160—200 мм. Агрегат может быть использован при проходке различных сооружений метрополитена: односводчатых станций, среднего зала пилонных станций, перегонных тоннелей, вспомогательных выработок и камер.
77.2. Способ продавливания
Сущность способа и условия применения. В последние годы при строительстве подземных сооружений мелкого заложения на застроенных территориях города все более широкое применение находит способ продавливания. Этим способом сооружают коллекторные, пешеходные и автотранспортные тоннели, а также перегонные тоннели и даже станции метрополитена [43, п. 28; 48; 70; 98, гл. II; 99; 103, ч. 2, гл. 2].
Основные преимущества продавливания по сравнению с другими методами состоят в следующем: возможность ведения работ без нарушения движения транспортных средств по пересекаемой магистрали; высокая степень индустриализации работ за счет использования крупногабаритных тоннельных секций с заводской гидроизоляцией; исключение перекладок подземных коммуникаций; сокращение объемов разрабатываемого грунта за счет уменьшения или исключения строительного зазора; снижение стоимости и трудоемкости тоннелестроительных работ; сокращение сроков строительства.
Продавливание выполняют в основном с помощью домкратной установки, представляющей собой металлическую раму, на которой жестко закреплены домкраты. Количество домкратов зависит от поперечных размеров, длины продавливаемой конструкции, типа домкрата и должно обеспечить успех продавливания с учетом резерва усилия для компенсации неучтенных сопротивлений. Для продавливания труб диаметром до 1420 мм устанавливают от 1 до 4 домкратов. В случае конструкций большего поперечного сечения количество домкратов достигает нескольких десятков.
Для увеличения длины продавливания снижают сопротивление от трения грунта по наружной поверхности обделки тоннеля или лобовое сопротивление продавливанию.
Это достигается за счет некоторого увеличения размеров ножевой секции (на 20—30 мм) по отношению к обделке; применения промежуточных продавливающих домкратных установок, которые дают возможность достичь длины продавливания до 200—400 м и более; использования антифрикционных смазок и покрытий и нагнетания тиксотропного раствора (преимущественно на основе бентонитовых глин) в строительный зазор за обделку, что зарекомендовало себя как наиболее эффективное средство. Тиксотропный раствор может вводиться непосредственно из забоя продавливаемого сооружения или с поверхности по пробуренным скважинам. В среднем расходуется до 15 л раствора на 1 м2 поверхности продавливаемой конструкции. Основным средством устранения лобового сопротивления продавливания служит ножевая секция, оснащенная гидродомкратами для автономного ее передвижения или проходческий щит (обычный или механизированный).
При автономном щите снижаются огромные изгибающие усилия на всю колонну продавливания, что особенно благоприятно сказывается при проведении на кривых. Для повышения точности продавливания применяют: ножевые секции с домкратами или проходческие щиты как наиболее эффективные средства управления; корректирующие устройства в виде элеронов или отклоняющихся открылков; лазерные геодезические приборы; предварительная прокладка пилот-тоннеля или штольни.
Гидроизоляция между смежными элементами обделки устраивается с помощью специальных прокладок, которые одновременно служат для передачи давления от одного элемента к другому.
В качестве материалов, из которых изготавливают прокладки, используют асбест, резину, материалы на основе битума и каменноугольных смол. Продавливаемые стальные трубы соединяют между собой с помощью электросварки.
Параллельно с продавливанием под защитой ножевой части ведут разработку грунта вручную механизированными инструментами или специальными агрегатами типа тоннелепроходческих машин избирательного действия. Разработанный грунт выгружают на конвейер, в вагонетки или перемещают гидроспособом и доставляют в «забойный» котлован либо шахту, откуда контейнеры с грунтом краном, бадьевым, клетьевым или скиповым подъемником поднимают на поверхность и разгружают в бункер или непосредственно в автосамосвалы.
Подготовительные работы. До начала основных работ необходимо выполнить ряд подготовительных работ, одной из важнейших в числе которых является организация строительной площадки. Размещение основного оборудования на строительной площадке должно обеспечивать поточность работ и соответствовать заданному направлению сооружаемой выработки (рис. 17.12).
До начала основных работ необходимо также дооборудовать рабочий котлован или приствольную камеру, включая устройство проема в крепи котлована для ввода ножевой секции продавливающего агрегата в забой, а также возведение упорной стенки для восприятия реактивных усилий продавливающих гидродомкратов, возникающих при проведении выработки; монтаж продавливающей установки. После выполнения всех этих работ приступают к продавливанию тоннельных секций по технологии, разработанной в проекте.
Продавливание тоннельных секций большого поперечного сечения. При продавливании тоннельных секций большого поперечного сечения разработку грунта ведут, как правило, вручную с помощью механизированного инструмента, а погрузку — малогабаритными погрузочными машинами на колесном ходу типа ПМЛ-4, ПМЛ-5 или на рельсовом ходу — типа ППН-2 или ППМ-4. Вагонетки с грунтом целесообразно транспортировать по тоннелю с помощью канатной откатки. При значительных плечах от-
Рис. 17.12. Схема размещения оборудования на строительной площадке: 1 передвижная электростанция; 2 сварочный аппарат; 3 склад про давливаемых конструкций или труб; 4, 13 нажимная траверса(подушка); 5, 14 промежуточные нажимные патрубки 7 1,5 м и 7 3,0 м; 6 автомобиль ный кран; 7 продавливающие гидродомкраты; 8 тяговая лебедка; 9 гидронасос; 10 упорная стенка; 11 инвентарная опорная плита; 12 лест ница; 15 кран СПК 1000 (СПК 2000); 16 опрокидная вагонетка; 17 продавливаемая труба; 18 насос водоотлива; 19 бытовое помещение; 20 крепь котлована; 21 отвал грунта; 22 экскаватор; 23 автосамосвал катки (более 50 м) можно использовать аккумуляторные электровозы или дизелевозы, оборудованные газоочистителями отработанных газов.
В последние годы в нашей стране и за рубежом разработан ряд продавливающих установок и агрегатов. В частности, в Главтон-нельметрострое изготовлен агрегат КМ-35, предназначенный для строительства способом продавливания перегонных тоннелей метрополитена мелкого заложения на коротких прямолинейных участках [93, рис. 32.5].
Техническая характеристика агрегата КМ35 Наружный диаметр ножевой секции, мм.................6015
Длина ножевой секции, мм.............................1700
Длина домкратной установки, мм.......................3300
Наружный диаметр домкратной установки, мм............6250
Количество домкратов, шт.............................30
Ход плунжера домкратов, мм...........................1200
Суммарное усилие домкратов, тыс. кН..................30
Скорость продавливания тоннеля, см/мин................1,2 3,6
Способ продавливания с применением агрегата КМ-35 продолжает совершенствоваться, и проходка тоннелей с тюбинговой обделкой ведется уже на большей длине. Для соблюдения максимальной точности при проходке тоннеля в плане и профиле и снижения общих сил сопротивления при продавливании осуществляют предварительную проходку пилот-тоннеля диаметром 2 м. В лотке пилот-тоннеля забетонированы направляющие, по которым перемещается лоток ножевого кольца и продавливаемой обделки.
Все более широкое применение метод продавливания находит при строительстве выработок большого поперечного сечения небольшой протяженности крупными секциями длиной 10—15 м и массой до 200—400 т.
Продавливание крупногабаритных секций производили, в частности, при строительстве двухполосного автотранспортного тоннеля под станционными железнодорожными путями. Две секции прямоугольного поперечного сечения шириной 8,3 м, высотой 3,7 м и длиной 21,8 и 18,7 м имели массу порядка 500 т каждая (рис. 17.13).
Рис. 17.13. Схема работ по продавливанию крупногабаритных секций крепи под железной дорогой:
1 секции крепи; 2 ножевая часть; 3 упорная стенка; 4 продавлива ющие гидродомкраты; 5 фундаментная плита; 6 шпунт; 7 участок замоноличивания; 8 грунтовые анкеры
Конструкции их выполнены из монолитного железобетона с толщиной стен, лотка и перекрытия 45,7 см. Продавливание вели на глубине 0,9 м от уровня головки рельса 12-ю гидродомкратами (12 000 кН).
В последнее время разработана и широко применяется весьма эффективная технология проведения выработок большого сечения, основанная на применении экранов из труб (см. п. 17.1). Такие экраны, продавливаемые по контуру будущей выработки, играют роль временной крепи, под защитой которой осуществляются все проходческие процессы.
При продавливании труб в устойчивых грунтах их располагают с зазорами порядка 15—50 см, заполняемыми впоследствии цементным раствором или бетонной смесью (рис. 17.14, а).
При продавливании труб в неустойчивых грунтах их располагают вплотную, соединяя между собой при помощи замковых устройств по типу шпунта. Для этого к боковой поверхности труб приваривают уголки, швеллеры, трубы малого диаметра с продольным пазом (рис. 17.14, б).
После продавливания в трубы помещают арматурные каркасы и производят бетонирование (рис. 17.15, а). Иногда в трубы заво-
Рис. 17.14. Схема расположения труб в защитном экране вокруг выработки (а) и конструкции замковых соединений (б):
1 сечение выработки; 2 трубы; 3 бетонное заполнение; 4 бетонное основание (плита); 5 замковое соединение
оо
А-А
I II
/// /// /// /р /// /// /// ///
Б-Б В-В
III IV
w w ш ж w w w ш
Рис. 17.15. Схема работ по сооружению выработки большого сечения под защитой экрана из труб:
а — возведение экрана из труб; б — схема проходки и крепления выработки; 1 — продавливающая установка типа УГБ; 2 — рабочий котлован; 3 — железобетон; 4 — армокаркас; 5 — продавленные трубы; 6 — контур выработки; 7 — бето-новод; 8 — бетононасос; 9 — автобетоновоз; 10 — постоянная крепь выработки; 77 — экскаватор; 12 — временная крепь; 13—подмости; 14—перегрузочный конвейер; 75 — крепление котлована; 76 — опалубка; 77 — контейнер для грунта; 18 — кран; I—IV — последовательность раскрытия и крепления забоя
дят сборные железобетонные балки, стыкуя отдельные звенья по длине сваркой закладных деталей.
Разработку грунтового ядра под защитой экрана из труб производят сплошным забоем или по частям заходками по 5—10 м с применением проходческих агрегатов или тоннельных экскаваторов (рис. 17.15, б). Для удаления грунта используют вагонетки, автосамосвалы или конвейеры. После раскрытия выработки в пределах очередной заходки экран подкрепляют временными металлическими подпорками, а затем возводят обделку подземного сооружения.
Строительство станций метрополитена способом продавливания.
Проекты линий мелкого заложения предусматривают сооружение перегонных тоннелей по возможности закрытым способом, а станции, в зависимости от вида конструкции, открытым или полузакрытым способом. При расчетной длине платформенной части для станций Москвы и Санкт-Петербурга 162—143 м, а для других городов страны — 104—124 м общая протяженность комплекса (рис. 17.16) может составлять от 300 до 410 м.
Станции, как правило, располагают на пересечении основных магистралей города, а строительство их при открытом способе ведется длительный период в котлованах большой протяженности, что приводит к нарушению нормальной жизни города (выполнению значительного объема перекладок подземных коммуникаций, устройству объездных дорог, перенесению трамвайных путей и троллейбусных линий и т.д.). Между тем на наиболее сложных участках трассы, располагаемых под железнодорожными путями и городски-
ч направление продавливания
Рис. 17.16. Комплекс станционных сооружений:
1 платформенный участок; 2 вестибюли; 3 СТП; 4 перегонные тон нели; 5 котлован для вывода ножевой секции комплекса для продавливания
ми магистралями, все более широкое применение находит способ продавливания, позволяющий вести работы без каких-либо дополнительных затрат на переустройство дорог и вынос подземных коммуникаций.
Положительный опыт по продавливанию подземных сооружений в городских условиях позволяет рассмотреть вопрос создания конструкции станции мелкого заложения, значительная часть которой могла бы быть сооружена способом продавливания, и соответствующего комплекса для его осуществления. Одним из решений могла бы быть станция колонного типа, приведенная на рис. 17.17, а.
Рис. 17.17. Конструктивная схема станции (а) и сечение бокового тоннеля (б):
1 элементы секции обделки бокового тон неля; 2 прогон; 3 колонна; 4 элемент перекрытия среднего зала; 5 временное заполнение; 6 металлическая распорка
Боковые тоннели такой станции выполняются из свариваемых в одну секцию крупноразмерных железобетонных блоков длиной 5—7 м с внутренним металлическим изолирующим листом толщиной 6—8 мм. Со стороны среднего зала секция имеет временную стену — заполнение в виде сварных металлических коробов. Для повышения жесткости секции на период продавливания у временной стены могут устанавливаться временные распорки (рис. 17.17, б).
Возможно применение изготавливаемых на месте цельных секций с проемом со стороны среднего зала, который на время продавливания заполняется металлическими сварными коробами. В этом случае следует решить вопрос организации изготовления секций на месте — у сооружаемой станции или непосредственно в котловане. Продавливание из котлована ведется заход ками 1 м с установкой между секцией и основной домкратной рамой последовательно 4—6 инвентарных сварных рам-вкладышей (шириной 1 м каждая) с последующим их извлечением после задавливания на полную длину. Далее цикл повторяется.
После сооружения боковых тоннелей продавливается сводовая плита среднего станционного зала. Под ее защитой (по окончании продавливания) выбирается оставшаяся часть грунта между боковыми тоннелями, возводятся лоток и внутренние конструкции. Одновременно в боковых тоннелях монтируют верхние и нижние прогоны и колонны, а стены заполнения разбирают. Затем возводят внутренние конструкции, выполняют монтажные и архитектурноотделочные работы. Преодоление участков протяженностью 104—162 м возможно путем включения в конструкцию обделки одной, двух или трех промежуточных домкратных секций. Выдерживание направления продавливания с соблюдением проектного положения тоннеля может быть обеспечено маневрированием ножевой секции. С этой целью в ее хвостовой части следует предусмотреть систему регулирующих домкратов.
Поскольку по конструктивно-технологическим факторам возведение вестибюлей станции мелкого заложения осуществляется только в открытых котлованах, продавливание платформенной части станции 7 можно вести из котлована 2, предназначенного для одного из вестибюлей, в направлении к котловану другого вестибюля (см. рис. 17.17). Продавливание на других участках стан
ции также можно организовать из этих котлованов и закончить в специально раскрытых котлованах 5 с минимальными размерами, обеспечивающими вывод ножевой секции комплекса. Возможно обетонирование последней в конце участка без раскрытия котлована для ее извлечения.
Внедрение способа продавливания на строительстве станций мелкого заложения может значительно сократить сроки их возведения, объем перекладки подземных и наземных городских коммуникаций без нарушения нормальной жизни города в период сооружения линий метрополитена.
Способ продавливания находит широкое применение также и в зарубежной практике строительства метрополитенов. Например, этим способом было выполнено продавливание коробчатой железобетонной обделки ст. «Тибуртина» (91 м) и перегонного тоннеля (99 м) Римского метрополитена в водонасыщенных илах и песке под железнодорожными путями: сечение в свету — 55 и 90 м2, в проходке — 85 и 140 м2 соответственно, срок строительства — 18 мес.
Контрольные вопросы к главе 17
1. Как обеспечиваются безопасность и безосадочность проходки подземных сооружений при защитном экране из труб?
2. В какой последовательности осуществлялось сооружение ст. «Венеция» в несвязных слабоустойчивых грунтах?
3. Какие основные элементы входят в состав комплекса МТПК?
4. В чем заключаются принципы предварительного щелеобразо-вания?
5. Что включают в себя основные циклы работ агрегата АСК?
6. Как решается проблема размещения оборудования при проходке тоннелей способом минимальных уступов?
7. Что входит в состав подготовительных работ при строительстве подземных сооружений способом продавливания?
8. Как осуществляется продавливание тоннельных секций большого поперечного сечения?
9. Опишите основные конструктивно-технологические решения строительства станции метрополитена с применением способа продавливания.
Раздел VII. ГИДРОИЗОЛЯЦИЯ СООРУЖЕНИЙ МЕТРОПОЛИТЕНА
Глава 18. ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ
В последние годы в крупнейших городах мира, в том числе России, все большую остроту приобретает вопрос надежной гидроизоляции подземных сооружений. Повсеместный подъем уровня грунтовых вод и увеличивающееся их загрязнение, ошибки при проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений и многие другие факторы приводят к созданию в грунтах агрессивных специфических сред, негативно воздействующих на подземные конструкции, включая конструкции метрополитена. Надежная гидроизоляция является важным условием долговечности, исправности и безаварийности работы любого подземного сооружения, в первую очередь для подземных сооружений метрополитена, связанных с массовым и постоянным пребыванием людей [8; 11; 12; 93, гл. 13; 115, гл. 12; 116; 117].
18.1. Чеканочные и гидроизоляционные смеси и растворы
К наиболее уязвимым местам подземных сооружений в отношении их водонепроницаемости относятся стыки и сопряжения конструкций. Решение проблемы обеспечения водонепроницаемости заключается в разработке принципиально новых конструкций стыков тоннельных обделок и способов их чеканки, чеканочных и гидроизоляционных растворов на основе безусадочных составов (модифицированных полимерцементных и полимерных композиций) с улучшенными прочностными и деформационными свойствами, а также адгезией. Для эффективного использования новых материалов и конструкций необходимо совершенствование технологии и механизации гидроизоляционных процессов.
Новые вяжущие вещества с заданными свойствами. Одним из важнейших требований, предъявляемых к вяжущим веществам, яв
ляется возможность регулирования их расширения в процессе твердения, т.е. ограничения увеличения в объеме, а также обеспечения фиксированных сроков схватывания и твердения. Применение обычных цементов для замоноличивания стыковых соединений тем более нежелательно, так как проницаемость шва в контакте между новым и старым бетоном в стыке в 5—6 раз больше, чем у бетона конструкции, за счет усадки и нарушения сцепления.
На основе исследований кинетики кристаллизации гидросульфоалюмината кальция получен оптимальный состав безусадочного портландцемента марки 500 с линейным расширением до 0,5 % и стабильными прочностными характеристиками. Благодаря свойствам безусадочного цемента композиции на его основе характеризуются высокой коррозионной стойкостью при воздействии сульфатных и хлоридных агрессивных сред.
В зависимости от требуемых свойств применяют известные суперпластификаторы С-3, 10-03, алюминаты и нитраты натрия, эмульсии полимеров, латексы, кремнийорганические жидкости.
Сухие смеси и растворы на основе цементов. Разработаны сухие смеси на основе безусадочных цементов, заполнителей и полимерных добавок, изготавливаемые путем размола и перемешивания компонентов. Торкрет — раствор на обычном портландцементе — применяют только для антифильтрационной защиты монолитных сооружений с шириной раскрытия трещин менее 0,05 мм, поскольку он подвержен усадочному растрескиванию. Использование в составах на безусадочном цементе комплексных полимерных пластифицирующих добавок и фракционированного песка дает возможность регулировать сроки схватывания и существенно повышает их гидроизолирующую способность.
НПО «НовТехСтрой» производит материалы серии ТФ, представленные гидроизолирующими и герметизирующими составами ТФ-1 и сухими безусадочными смесями ТФ-2, что позволяет использовать их при восстановлении конструкций с глубиной разрушения до 10 см и более, при заделке мелких дефектов, а также при возведении новых объектов. Для производства материалов серии ТФ используют высококачественное экологически чистое сырье, проходящее тщательную проверку.
Эффективность применения материалов серии ТФ подтверждена при выполнении работ на многих объектах (в том числе Лефортовском тоннеле в Москве для устройства гидроизоляции деформационных швов), что позволяет рекомендовать их к использованию для быстрого и качественного строительства и ремонта подземных сооружений, эксплуатируемых в сложных условиях.
Опыт внедрения сухих строительных смесей в качестве гидроизоляционного материала в сооружениях метрополитена показал ряд их преимуществ по сравнению с традиционными материалами и технологиями.
Основными из этих преимуществ являются: высокая степень готовности поставляемого материала к использованию, что снижает трудоемкость и многодельность работ; простота приготовления раствора и его нанесения, не требующие, как правило, специального оборудования и высокой квалификации работников; возможность выполнения работ без ограничения движения поездов; экологическая безопасность сертифицированных сухих смесей; надежность гидроизоляционного покрытия, устойчивость к деформациям конструкций; допустимость нанесения смесей на неровные как сухие, так и влажные поверхности без дополнительной защиты от механических повреждений; возможность предварительного регулирования состава и свойств смесей (подвижность, скорость твердения, морозостойкость и пр.) с учетом конкретных условий.
Полимерцементные, полимерные и чеканочные композиции. В сочетании с безусадочными растворами применяют полимерце-ментные и полимерные композиции, в которых за счет кремнийор-ганических ускорителей схватывания бетона (промоторов) обеспечивается высокая адгезия к бетону. Композиции наносят на свеже-уложенный «мокрый» бетон. При этом адгезия к свежеуложенному и затвердевшему бетону выше его прочности на разрыв.
Сополимеризация и согидратация чеканочных композиций в контактной зоне проходят в благоприятных условиях жидкой фазы цементного камня. Входящие в составы композиций промоторы адгезии образуют на границах контакта дополнительные связи и оказывают благоприятное воздействие на процессы твердения бетона. При этом, поскольку возникновение этих связей происходит при наличии влаги и носит необратимый характер, зона контакта
характеризуется нарастанием адгезии во времени. Сочетание в конструкциях стыков эластичных и жестких материалов обеспечивает надежность их работы при самых разнообразных нагрузках. Благодаря комплексу приобретенных стыками свойств они получили название монолитно-гибких.
С середины 80-х гг. вузами железнодорожного транспорта проводились исследования по вопросам защиты бетона, железобетонных и других капиллярно-пористых строительных материалов. Результатом стала разработка защитного состава «Кальматрон». Первоначально состав планировалось использовать для ремонта и восстановления железобетонных конструкций. Опыт его применения показал отличные результаты по возвращению бетонам несущих конструкций мостовых и тоннельных сооружений нормативной механической прочности с одновременным повышением антикоррозионных свойств. Кроме того, материал «Кальматрон» обладает хорошими гидроизоляционными свойствами за счет способности глубокого проникания внутрь бетона, с образованием однородной водонепроницаемой структуры, что препятствует гидростатическому давлению в обоих направлениях. Помимо эффекта гидроизоляции, значительно вырастают морозостойкость и коррозионная стойкость конструкций в агрессивных средах (кислоты, щелочи, морская вода, нефтепродукты). Материал очень технологичен, не требует особых условий хранения, хорошо контактирует практически со всеми марками цемента, нетоксичен. Все свойства «Каль-матрона» подтверждены патентами РФ № 2072335 и № 2119900. Первое опытно-промышленное производство материала было организовано в Хабаровске в 1992 г. В тоннелестроении «Кальматрон» хорошо зарекомендовал себя при проведении работ по борьбе с обводненностью Северо-Муйского тоннеля.
В последнее время появились новые гидроизоляционные материалы, выпускаемые промышленностью в виде сухой смеси или водного раствора. Наиболее известными из них являются следующие.
Пенетрон — материал для придания водонепроницаемости монолитным и сборным железобетонным конструкциям.
Гидробетон А-1 — гидрофобизирующая жидкость, кремнийор-ганический материал на водной основе. Используется для защиты железобетонных конструкций от водонасыщения.
Гермосур — уретановый герметик, состоящий из основной пасты и отвердителя и отверждаемый при температуре окружающего воздуха. Применяется для герметизации и ремонта стыков.
Гидротекс — сухая смесь проникающего действия для герметизации бетонных и каменных конструкций.
Гидропаг — быстротвердеющий расширяющийся состав для ликвидации активных водных протечек в бетоне и камне. При смешивании с водой образует герметизирующий состав, останавливающий поток воды даже под давлением.
Резинопласт — безосновное эластичное резиноподобное полотно толщиной 2 мм и шириной 1,4 м. Длина полотна в рулоне — до 30 м. Предназначен для устройства одно- и двухслойных гидроизоляционных покрытий кровель, фундаментов зданий, а также подземных сооружений.
Технология производства гидроизоляционных работ и средства механизации. Стабильность и высокое качество гидроизоляции можно обеспечить максимальной индустриализацией работ, большой объем которых выполняется в заводских условиях, а также максимальной их механизацией на стройплощадке. Технология производства гидроизоляционных работ на строительной площадке включает в себя: подготовительные процессы; гидроизоляцию стыков; гидроизоляцию отверстий для первичного нагнетания; контрольное нагнетание за сборную железобетонную обделку через скважины, пробуренные по проекту; гидроизоляцию отверстий для контрольного нагнетания; гидроизоляцию поверхности блоков обделки [111, п. 16.3].
Смесь приготовляют в растворосмесителях принудительного действия из расчета 20—40 мин перемешивания. Материалы загружают в заданной последовательности, благодаря чему обеспечивается ускорение гидратационных процессов цемента и увеличение прочности стыков на 25—30 %. Чеканку швов и нанесение гидроизоляции производят с помощью агрегата типа «Пневмонабрызг» СМБ020 или «Гидротон», причем у второго эффективность выше. Выполненный в комплекте с пистолетом-распылителем и набором сопел, он позволяет наносить смеси различного состава.
Радиальные и кольцевые стыки обделок закрытого способа работ гидроизолируют снизу вверх, начиная с лотка до полного заполнения стыка. Технология позволяет осуществлять заделку ско
лов обделки, рядовых деформационных стыков, стыков «колонна — балка», «колонна — ригель», обделок станций и т.п. Давление торкретирования при проведении чеканочных и гидроизоляционных процессов — 0,4—0,6 МПа. Качество работ обеспечивается определенной схемой, обусловленной соблюдением последовательности смешивания компонентов, оптимальными технологическими режимами и поливкой зачеканенных растворами канавок латексным молоком. Это создает на поверхности шва пленку, препятствующую преждевременному высыханию раствора до полного его твердения. Давление на стенки стыка составляет 0,4—0,5 МПа за счет использования безусадочного цемента. По сравнению с обычной технологией чеканки стыков затиркой раствора производительность труда возрастает в 6—11 раз.
В настоящее время получает распространение гидроизоляция на основе безусадочных цементов, полимерцементных и полимерных композиций. Так, при строительстве второй линии метрополитена в Минске на открытом участке цельносекционной обделки (ЦСО) с монолитно-гибкими стыками взамен традиционной многослойной оклеечной гидроизоляции применили облегченную полимерцемент-ную. Рядовые и деформационные швы ЦСО замоноличивали механизированным способом аппаратом «Гидротон» с использованием растворов на основе сухих смесей и полимерных мастик.
После герметизации швов на наружную поверхность блоков наносили гидроизоляционное покрытие на основе холодных карбамидно-латексных и битумно-каучуковых составов.
18.2. Пенополиуретаны в качестве герметиков
Анализ опыта, накопленного ЗАО «Триада-Холдинг» (Москва, Россия) — организации, специализирующейся на гидроизоляционных работах, показал, что для герметизации протечек наиболее эффективно инъекционное заполнение трещин, швов строительных конструкций, особенно подверженных динамическим воздействиям, гидроактивными пенополиуретанами (ППУ).
Основное преимущество этих составов — в механизме их гелеобразования, характерной особенностью которого является то, что вода, фильтрующаяся через швы конструкций, используется в качестве второго реагента, необходимого для протекания реакции. Так
как в шов нагнетают только один компонент — гидроактивный состав, эту систему нагнетания растворов следует рассматривать как однокомпонентную.
В результате реакции гидроактивного пенополиуретана и воды, присутствующей в шве, безотказно достигается герметизация шва, причем весь объем нагнетаемого состава эффективно используется для этих целей. Высокая надежность получаемого гидроизоляционного уплотнения шва достигается благодаря возрастанию внутреннего давления расширяющегося гидроактивного состава, который не только заполняет полость, но и проникает в приповерхностную часть конструкции, обеспечивая сцепление материала с ней. Процесс сопровождается вытеснением воды из шва (трещины, стыка) с образованием внутри полости водонепроницаемого пенополиуретанового заполнителя. Проникающая способность материала настолько велика, что обычно герметизируются примыкающие к местам инъецирования микротрещины, даже не определяемые визуально. Кроме того, за счет проникающей способности материал пропитывает окружающие грунты, образуя по окончании реакции гелеобразования непроницаемый для воды композит «грунт-полимерраствор».
Фирма «Де Нееф Цонхем» (Бельгия), являющаяся одним из мировых лидеров-производителей пенополиуретанов, разработала ряд гидроактивных составов, специально предназначенных для герметизации стыков строительных конструкций и укрепления грунтов.
В табл. 18.1 даны основные характеристики выпускаемых составов пенополиуретанов.
Эффективность, надежность и долговечность гидроактивных полиуретанов подтверждена 20-летним опытом применения в подземном и гидротехническом строительстве, в том числе на строительстве тоннелей под проливом Ла-Манш (Франция — Англия), Уолбери под судоходным каналом в Хьюстоне (США); тоннелей метрополитена в Нью-Йорке, Питтсбурге (США), Антверпене (Бельгия) и пр.
ЗАО «Триада-Холдинг», используя материалы и технологию фирмы «Де Нееф», выполнила работы по ликвидации протечек в тоннелях Московского, Нижегородского и Петербургского метрополитенов.
Таблица 18.1
Основные характеристики гидроактивных пенополиуретанов
Характеристика Материал
Кат Флекс Сойл LV Силфоам NF Мультигель NF Эластик
До затвердения
Вязкость, МПа с 120 650 25 450...630 200 230
Плотность, кг/л 1,115 1,05...1,1 1,12 1,05 1,1 1,05
После затвердения
Прочность на растяжение, МПа 0,4 1,2 1,2 2,7 0,2 0,2
Прочность на сжатие, МПа 6,3 11,6
Относительное удлинение до разрыва, % 250 400 250 150
Усадка, % менее 4 менее 12 нет
Увеличение в объеме, раз 13...15 5...7 2...3 6...8 6...10 1
Время гелеобразования, мин 1,3...19,0 1,6...8,0 2,0... 15,0 0,5 0,8 600
Технология производства инъекционной гидроизоляции швов стыков конструкций гидроактивными полиуританами (рис. 18.1) включает в себя последовательное выполнение следующих операций: очистка шва; герметизация его поверхности; бурение инъекционных отверстий; установка инъекторов; промывка шва водой при отсутствии активных протечек; нагнетание полиуретанового гидроактивного состава.
Эластичные гидроактивные полимеры, применяемые для герметизации швов стыков и трещин строительных конструкций, обладают способностью выдерживать деформации сооружений без сни-
Рис. 18.1. Типовая схема гидро изоляции швов строительных конструкций:
1 пенополиуретановая гидро изоляция; 2 инъектор; 3 инъ екционная скважина; 4 плиты перекрытий; 5 заделка шва
жения своих функциональных свойств. Различные по свойствам инъекционные составы можно получать, смешивая в разной пропорции исходные компоненты гидроактивного полимера ППУ. Но важно иметь в виду, что в случае деформаций конструкции может либо произойти поглощение деформации герметиком, либо она переместится на другой участок с возможным возникновением новой трещины. Развитие такого процесса показано на рис. 18.2.
Следует учитывать, что даже материалы, имеющие высокую степень адгезии к материалу обделки и способные выдерживать удлинение без разрыва, внутри трещины или шва ведут себя как жесткие материалы. Большинство эластичных материалов могут растяги-
Рис. 18.2. Развитие процессов деформации конструкции после нагнетания эластичных и жестких гидроизоляционных материалов:
а возникновение трещин при деформационных подвижках конструкций; б сглаживание деформаций конструкций при нагнетании ППУ; в воз можные разрывы сплошности гидроизоляционного материала; 1 строитель ная конструкция; 2 трещина, загерметизированная эластичным полиме ром; 3 новая трещина; 4 трещина, загерметизированная вспененным ма териалом; 5 герметизирующий материал; 6 разрыв сплошности жестких гидроизоляционных материалов
ваться и удлиняться лишь в том случае, когда для этого существует такая возможность. Как правило, в пределах небольшого объема шва у большинства даже упругих материалов просто не хватает пространства для этого. Только полимеры с ячеистой структурой (вспененные) способны сглаживать деформации внутри шва за счет способности пузырьков структуры менять свой объем (рис. 18.2, б).
Таким образом, важной областью применения гидроактивных полимерных материалов является ремонт и гидроизоляция деформационных и температурных швов больших протяженности и раскрытия (до 2 см и более), особенно когда соответствующие герметизирующие устройства должны выдерживать без разрывов значительное (0,1—0,15 МПа и более) гидростатическое давление.
Многолетний опыт применения гидроактивных ППУ, накопленный ЗАО «Триада-Холдинг», привел к разработке новых технологических решений. Одно из них основано на применении материала Флекс LV. Этот ППУ способен при взаимодействии с водой вспениваться, увеличиваясь в объеме в 5—7 раз. После окончания гелеобразования он образует упругоэластичный материал, выдерживающий значительные температурные перепады (в интервале от минус 40 °C до плюс 100 °C) и сдвиговые перемещения (до 250 % относительного удлинения). Вспененный полимер является высокоэффективным гидроизоляционным материалом, способным противостоять значительному гидростатическому давлению.
18.3. Гидроизоляционные мастики и материалы
Битумополимерная мастика. На станциях метрополитена открытого способа работ наружную гидроизоляцию конструкций, как правило, выполняют из дефицитного гидростеклоизола. Новосибирские метростроители, пытаясь найти более доступный изоляционный материал, не уступающий по своим качествам гидростеклоизолу, остановили свой выбор на полимербитумных композициях, характеризующихся высокой эксплуатационной надежностью и долговечностью. Теоретически и экспериментально обоснована возможность получения долговечных (до 70 лет) гидроизоляционных покрытий из полимербитумных композиций, содержащих этилсиликат.
С целью понижения температуры хрупкости в вяжущее, состоящее из битума и каучука, добавляется этилсиликат в соотношени
ях: битум — 100, каучук — 2... 15, этилсиликат — 1...15. Нормальное содержание полимера и этилсиликата в композиции составляет не более 5 %. Введение этилсиликата приводит к увеличению растяжимости битумов при 25 °C в 2—3 раза, а при 0 °C — до 30 раз. При увеличении доли этилсиликата температуру хрупкости композиций можно снизить до -37 °C. Водопоглощение полимербитумных композиций составляет не более 1 %. За счет влаги адгезия мастики к бетону с течением времени увеличивается. Такое полимербитумное вяжущее может служить в кислой и щелочной среде. На основании исследований, проведенных СибЦНИИСом, все композиции биту-мополимерсиликатных мастик рекомендованы в качестве материала наружной гидроизоляции.
Гидроизоляционные мастики и рулонные материалы на основе эластифицированного битума. Широкое применение в строительстве в настоящее время находят гидроизоляционные материалы компании «Гермопласт», отвечающие мировым стандартам. Они рекомендованы Минстроем РФ (письмо от 11.09.96 г. № 11-38/126) для массового использования в новом строительстве и при ремонте сооружений, а также включены во многие территориальные каталоги. Мастики используют при гидроизоляции оборонных подземных сооружений, ремонте подземных переходов, гаражей, резервуаров и т.п.
Наибольшие усилия специалистов указанной компании направлены на совершенствование мастики «Битурэл». Проработаны четыре аспекта возможного изменения ее свойств. Предусматривается введение в обычный двухкомпонентный состав «Битурэл» добавок, позволяющих повысить его эластичность, увеличить адгезию с основанием при эксплуатации сооружения, а также эластофициро-ванного битума, полиуретана или других подобных веществ, повышающих пластичность мастики при нагревании или растворении, что улучшает технологические свойства при нанесении на поверхность. Способ нагрева целесообразно применять в случаях, когда требуется мгновенное отверждение мастики (дорожные работы, изоляция трубопроводов и др.); растворение — при нанесении в нормальном режиме, например, при гидроизоляции поверхностей подземных сооружений или кровель. Кроме того, разработан состав и налажено производство специфического материала-катализатора, уменьшающего время жизнеспособности основного материала в
широких пределах, исходя из потребностей технологии работ и климатических условий и добавляемого в мастику в очень малых количествах.
Разработаны рекомендации по изменению состава гидроизоляционной мастики «Гидрофор», позволяющие повысить ее прочность, не меняя остальных свойств; улучшению технологии производства рулонного материала «Бикапола», способствующие стабильности его механических характеристик. Компанией «Гермопласт» разработаны также новые материалы на основе эластифицированного битума. Эластификатор «Элбисод» предназначен для эластификации битумов, используемых при изготовлении гидроизоляционных и антикоррозийных материалов. После введения «Элбисо-да» в битум вязкость последнего значительно уменьшается, эластичность многократно возрастает.
Многие технология и материалы компании «Гермопласт» не имеют аналогов. В тоннельных сооружениях возможно применение герметика «Унигекс» для гидроизоляции стыков и мастик «Гидрофор», «Гермокров» и «Полур», имеющих высокую адгезию к бетону и металлу при ремонте обделок. При механизированном способе работ возможно в течение 1 ч нанести сплошное покрытие из таких материалов на участке тоннеля длиной 5...8 м. Мастики не содержат растворителей, и их использование не требует усиленной вентиляции выработок. Образовавшееся покрытие не накапливает статического электричества, отличается повышенной коррозийной стойкостью и хорошо воспринимает аэродинамическое воздействие ударной волны.
При монтаже конструкций вентшахт применение холодных мастичных материалов типа «Гидрофор», «Битурэл», «Гермокров» позволяет значительно увеличить срок службы сооружений, уменьшить обледенение и повысить их коррозионную стойкость. Использование герметика «Унигекс», обладающего хорошей адгезией к металлу и бетону и высокой эластичностью, позволяет решить проблемы стыков.
Все материалы компании «Гермопласт» разработаны для условий России. Температурный диапазон эксплуатации покрытий, обработанных мастиками, от -50 °C до +100 °C. Устройство гидроизоляции возможно в диапазоне температур воздушной среды от
-25 °C до +50 °C, что позволяет вести работы даже на открытом воздухе практически круглый год, в том числе по влажной поверхности, и не требует высокой квалификации исполнителей. В случае повреждений наружной изоляции при обратной засыпке они легко устраняются, так как протечки возникают точечные, т.е. именно в месте повреждения, а не так, как при изоляции рулонными или мембранными материалами. Обладая высокой эластичностью (от 200 до 500 %), мастичные материалы хорошо выдерживают статические и динамические воздействия.
18.4. Эластичные уплотнительные прокладки в стыках сборных обделок
Надежная герметизация стыков сборных обделок шахтных стволов и тоннелей метрополитена в обводненных неустойчивых грунтах, особенно в условиях знакопеременных температур или динамических воздействий, до настоящего времени не создана. Наиболее сложными объектами являются стволы шахт, в частности, вентиляционные. Традиционные чеканочные материалы малоэффективны. Швы в чугунных обделках, зачеканенные свинцовым шнуром, после непродолжительной эксплуатации сооружения начинают пропускать воду, что в зимнее время приводит к образованию наледей.
Одним из эффективных технических решений, обеспечивающих водонепроницаемость стыков, является применение упругоэластичных уплотнительных прокладок, устанавливаемых в специальные пазы по периметру блоков или тюбингов и вступающих в работу в момент монтажа обделки. В этом случае отпадает необходимость в дополнительных работах по герметизации стыков. Упругая гидроизоляция делает обделку нечувствительной к температурным и иным деформациям, что особенно важно для вентиляционных стволов и участков обделки, работающих в условиях знакопеременных температур.
Уплотнители выполняют в виде специальных профилей из упругой долговечной резины (чаще всего на основе масло-бензостойко-го неопренового каучука). Внутри профиля имеются пустоты. Конфигурацию профиля и размеры пустот подбирают таким образом,
что при смыкании кромок соседних элементов обделки уплотнение полностью убирается в паз. Варианты конфигураций профиля показаны на рис. 18.3.
Упругость прокладок подбирают, исходя из необходимости создания на контактных поверхностях усилий, достаточных для обеспечения заданной водонепроницаемости стыка. Прочностные и усталостные параметры резины рассчитывают на эксплуатацию сроком не менее 50 лет, при этом релаксация (снижение величины упругого отпора) сжатого профиля не должна превышать 15 %.
Представляет интерес разработанный в Японии способ герметизации стыков обделок тоннелей с использованием упругих уплотнительных прокладок из модифицированной резины, увеличивающейся в объеме при контакте с водой (рис. 18.4).
Способ проверен в конструкциях сборных обделок, эксплуатируемых при гидростатическом давлении до 0,25 МПа. Предельное значение гидростатического напора, при котором обеспечивается гарантированная водонепроницаемость уплотненного стыкового соединения (для каждого конкретного уплотнителя), зависит от ве-
б
Рис. 18.3. Конфигурации сечений уплотнительных прокладок железобетон ных (а) и чугунных (б) обделок:
I уплотнительные прокладки фирмы «Феникс» (Германия); II уплотни тельные прокладки из водонабухающей модифицированной резины;
III комбинированная уплотнительная прокладка
Рис. 18.4. Схема работы уплотнительной прокладки в стыке:
1 блоки железобетонной обделки; 2 уплотнительные прокладки; X степень раскрытия стыка
личины обжатия, т.е. расстояния между кромками стыкуемых элементов, а, следовательно, точность изготовления блоков или тюбингов и технология их монтажа должны обеспечивать зазоры не выше расчетно-допустимых.
Таким образом, достоинством уплотнителей из набухающего материала является возможность герметизации швов с дефектами поверхностей и небольшими отклонениями геометрических размеров от проектных в большую сторону. К недостаткам можно отнести временной разрыв между монтажом обделки и началом обеспечения герметичности швов, а также снижение гидроизолирующей способности уплотнителя при неоднократном высушивании и увлажнении.
Оптимальными технологическими и эксплуатационными характеристиками обладает уплотнитель комбинированного типа, состоящий из двух элементов — упругого и водонабухающего. Последний вклеивают в паз на рабочей поверхности упругого элемента (рис. 18.3, III). Упругий элемент должен обеспечить герметичность с момента обжатия стыкуемых элементов. Если этого не происходит (из-за присутствия посторонних частиц на контактных поверхностях уплотнителя или недостаточного его обжатия), гер
метизация будет достигнута за счет увеличения в объеме элемента уплотнителя из водонабухающего материала.
Основным фактором, определяющим возможность применения уплотнительных прокладок для герметизации стыков, является высокая точность изготовления и монтажа элементов обделки. Точность изготовления чугунных тюбингов отечественной промышленностью соответствует заданным пределам, т.е. при соответствующей доработке конструкций обделки, устройстве на бортах пазов для уплотнения, чугунная обделка может быть снабжена упругими уплотнительными прокладками. Требуемая точность блоков железобетонной обделки обеспечивается прежде всего точностью изготовления опалубочных форм.
В результате экспериментальных исследований, проведенных НИЦ ТМ ЦНИИС совместно с НПП «ДИНТЭМ» (бывшим Днепропетровским филиалом НИИРПа), создан отечественный уплотнитель для сборной железобетонной обделки, по физикомеханическим и эксплуатационным показателям идентичный уплотнителю фирмы «Феникс» и обеспечивающий водонепроницаемость уплотненных стыков при гидростатическом давлении до 0,4 МПа.
Накопленный опыт позволил приступить к созданию оригинальных уплотнительных прокладок (упругих, водонабухающих, комбинированного типа) для упругих конструкций. В частности, для обделок тоннелей из чугунных тюбингов, учитывая ограниченную толщину ребер, разработан специальный профиль из резины на основе бутадиенстирольного каучука, для которого глубина паза в тюбинге не превышает 6 мм. При этом конструкция профиля допускает полное смыкание кромок стыкуемых поверхностей, а расчетная водонепроницаемость уплотнения (0,6 МПа) обеспечивается при зазоре между тюбингами до 0,4 мм.
Специальный клей, созданный для крепления уплотнительных рамок к тюбингам, обладает антикоррозийными свойствами по отношению к поверхности чугуна и имеет адгезионную прочность сцепления со свежеобработанной поверхностью серого чугуна и резиной уплотнителя не ниже 2,0 МПа.
По результатам экспериментов, проведенных Мосметростроем, было принято решение о сооружении в обводненных грунтах
с водопритоком до 10 м3/ч шахтного ствола с обделкой, имеющей уплотнительные прокладки. Пазы под резиновые прокладки на бортах тюбингов были выполнены на универсальном оборудовании, что несколько увеличило стоимость их обработки. Благодаря корректировке технологии возведения обделки удалось использовать чугунные тюбинги существующей конструкции практически в неизменном виде, снабдив их вклеенными в пазы уплотнительными рамками.
Специалисты НИЦ ТМ ЦНИИС и НПП «ДИНТЭМ» разработали рецептуры резиновых смесей и технологию изготовления уплотнителей, увеличивающихся в объеме при контакте с водой (до 700 %), а также предложили оригинальный способ герметизации стыков сборных железобетонных и чугунных обделок с их использованием.
Таким образом, проведенные исследования и опытные работы позволили установить, что гидроизоляцию стыков между чугунными тюбингами можно осуществлять также через уплотнительные замкнутые резинопластмассовые прокладки, вставляемые в профре-зерованные пазы-бороздки на обработанных бортах чугунных тюбингов (как в высокоточных железобетонных блоках). При изготовлении пазов в процессе обработки бортов предложено вместо чеканочного фальца по внутреннему контуру делать пазы ближе к наружному очертанию для размещения и закрепления в них уплотнительных замкнутых гидроизоляционных прокладок из резинопо-лимерного материала. Размеры пазов в поперечном сечении назначают такими же, как чеканочных фальцев: глубина 5—6 мм, ширина — 32 мм (рис. 18.5).
При затяжке четырех болтов в каждом стыке между бортами тюбингов происходит уплотнение, надежно перекрывающее путь проникновения воды в тоннель.
В настоящее время проводятся исследования по созданию и внедрению уплотнительных прокладок комбинированного типа. Они предназначены для герметизации стыков, где требуется повышенная надежность уплотнения и не может гарантироваться точность величин зазоров между блоками, и выдерживают при этом гидростатическое давление 1,0 МПа и более.
Рис. 18.5. Гидроизоляция стыков между чугунными тюбингами уплотнительны ми резинопластмассовыми прокладками
18.5. Промежуточная гидроизоляция на основе полимерных пленок
Промежуточную гидроизоляцию с использованием свариваемых полимерных пленочных материалов типа «Карбофол» и др. применяют при новом строительстве и ремонте тоннельных сооружений.
Монтаж гидроизоляционного полотна производится по выравнивающему слою бетона (черновому) с технологической тележки, оборудованной опорами, вспомогательными рабочими полками, приборами для сварки гидроизоляционных полотен горячим воздухом. Для сварки гидроизоляционной мембраны из материала
«Карбофол» применяют сварочный аппарат горячего клина «Ляй-стер комет» (230—500 Вт), предназначенный для сварки внахлест пленок и изолирующих полотен в подземном строительстве. Ширина каждого из двух швов в нахлесте должна быть не менее 10 мм, с воздушным каналом между ними шириной 20 мм.
Перед началом монтажа гидроизоляции необходимо подготовить бетонную поверхность: очистить ее от грязи и промыть; срезать до основания все металлические закладные части; неровности бетона более 5 см срубить или заштукатурить; устранить все выступы на бетонной поверхности. После подготовки поверхности геотекстиль подается на технологическую тележку и раскладывается на выдвижных опорах. Затем производятся предварительная натяжка от свода к основанию тоннеля и раскрепление геотекстиля к поверхности выравнивающего слоя бетона выдвижными опорами.
Вертикальность гидроизоляционного полотна периодически должна контролироваться маркшейдерской службой. Нахлест между полотнами должен составлять не менее 10 см. Прилегание полотна должно быть плотным, исключающим возможность его деформаций в процессе бетонирования постоянной обделки тоннеля.
Горячим воздухом при помощи фена для сварки гидроизоляционное полотно приваривают к ронделям. Полотна гидроизоляции между собой сваривают двойным швом по всей длине нахлеста.
После монтажа гидроизоляционного полотна проводится контроль качества выполненных работ. При наличии повреждений пленки необходимо наложить заплату и приварить ее к полотну с помощью фена. Контроль качества сварки включает в себя стадии: организационный контроль; операционный контроль в процессе выполнения сварочных работ; проверка кратковременной прочности сварных соединений; проверка целостности покрытия и сварных соединений.
Приемка сварочных работ может осуществляться в процессе их выполнения и в обязательном порядке — после их окончания. Промежуточной приемке инженерно-техническим персоналом участка (с составлением актов на скрытые работы по установленной форме) подлежат сварные швы и гидроизоляционное покрытие, выполненные на участках, подлежащих бетонированию.
18.6. Листовая полимерная защита гидроизоляции
При открытом способе строительства сооружений метрополитена гидроизоляционный слой из рулонных материалов защищают специальной примыкающей к обделке кирпичной кладкой. Опасность механических повреждений может возникнуть при обратной засыпке в период строительства и при сдвигах грунта в процессе эксплуатации сооружения. Однако технология возведения защитной кирпичной стенки достаточно трудоемка, вызывает большие материальные затраты и удлиняет сроки строительства.
Для защиты гидроизоляции боковых стен и перекрытий взамен кирпичных стен СКТБ Главтоннельметростроя разработало листовую полимерную защиту (ЛПЗ), характеристики которой приведены в табл. 18.3.
Таблица 18.3
Основные характеристики листовой полимерной защиты ЛПЗ
Характеристика Величина
Размеры листов ЛПЗ, мм 5500 х 1000 x 3,0 (5,0)
Прочность на растяжение, Н/см2 не менее 400
Усилие отрыва, Н/см2 не менее 3
Масса листа, кг 26,5
Для защиты ЛПЗ закрепляют одним концом на кирпичной кладке по краям лотка тоннельного сооружения, а другим — специальным приспособлением на горизонтальной стяжке перекрытия.
Приспособление для крепления листа на перекрытии сооружения представляет собой гребенку из металлической полосы шириной 30 мм и толщиной 3 мм. На конце пластинчатых зубьев гребенки имеются отверстия под болты диаметром 8 мм. ЛПЗ, предварительно скрепленную болтами (на 1м — 6 болтов) с металлической гребенкой, устанавливают одновременно на вертикальной стене и перекрытии сооружения и соединяют между собой. Листы укладывают сверху вниз, а затем вверху соединяют проволокой, а внизу, у шуцванда, закрепляют кирпичами и бетонным раствором. После затвердения раствора можно при необходимости подтянуть ЛПЗ вверх для более плотного прилегания к стене конструкции.
После проведения приемочных испытаний на участке перегонного тоннеля «Ясенево»—«Битцевский парк» Московского метро-
политена устройство ЛПЗ рекомендовано к применению на строительстве метрополитенов открытым способом взамен кирпичной стенки. СКТБ Главтоннельметростроя выпустило «Руководство по устройству защиты гидроизоляции тоннельной обделки листовым полимерным материалом». Рекомендации распространяются на устройство защиты гидроизоляции обделки стен станций и перегонных тоннелей открытого способа работ и могут быть использованы для других подземных сооружений. В соответствии с Рекомендациями, листы ЛПЗ располагают на стене вертикально, внахлест «по шерсти» относительно направления обратной засыпки грунта, с проклейкой швов по всей высоте липкой лентой «Герлен» (ширина нахлеста ленты — не менее 80 мм). После закрепления нижних краев ЛПЗ производится повторная натяжка листов, симметрично установленных на противоположных стенах тоннеля, затяжкой монтажным ломиком проволоки, скрепляющей их на перекрытии.
Контрольные вопросы к главе 18
1. Какие основные требования предъявляются к вяжущим веществам гидроизоляционных растворов?
2. Какими свойствами обладает новый материал «Кальматрон»?
3. В чем состоят основные преимущества пенополиуретанов перед другими гидроизоляционными материалами?
4. Какова принципиальная схема приготовления битумполимер-силикатной мастики?
5. Назовите основные типы гидроизоляционных материалов промышленно-гражданского строительства.
6. В чем состоят особенности работы упругопластичных уплотнительных прокладок, обеспечивающих водонепроницаемость стыков тоннельных обделок?
7. В какой технологической последовательности производится монтаж промежуточной гидроизоляции на основе полимерной пленки?
8. Приведите технологию устройства листовой полимерной защиты (ЛПЗ) по верху гидроизоляции.
Глава 19. ОСОБЕННОСТИ ГИДРОИЗОЛЯЦИИ ТОННЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
19.1. Гидроизоляция ограждающих и несущих конструкций открытого способа работ
Общие положения. В практике строительства сооружений метрополитена открытого способа работ наибольшее распространение получила оклеенная гидроизоляция из рулонных материалов на основе нефтяного битума.
Гидроизоляция выполняется непосредственно по наружной поверхности конструкции. В качестве гидроизоляционного материала в большинстве случаев применяют гидростеклоизол. Устраивают два его слоя: подкладочный и гидроизоляционный. Первый слой гидростеклоизола наклеивают на огрунтованную битумным лаком поверхность. Полотна укладывают поперек продольной оси станции. Перед наклейкой наружную поверхность рулонного материала оплавляют пламенем горелки по всей ширине. Воздействие горелки на гидростеклоизол должно быть кратковременным (слой доводится до капельно жидкого состояния). Полотнища материала наклеивают внахлестку с перекрытием кромок 20 см. Второй слой наклеивают на предварительно покрытую битумом поверхность со смещением по отношению к швам нижнего слоя на половину ширины рулона.
Для устройства безмастичной изоляции применяют комплект газопламенной установки с целью оплавления поверхности рулонного материала. Установка состоит из пропанового баллона емкостью 50 л с давлением 1,57 МПа, регулятора давления РД-1-БМ, нагревательной газовоздушной горелки ГВПН-1 и рукавов.
После нанесения гидроизоляционного материала устраивается защитный слой из цементно-песчаного раствора класса В7,5 толщиной 5 см, армированного сеткой из проволоки диаметром 4 мм с ячейками 150 х 150 мм. Работы ведут в две смены бригадой из двух звеньев численностью по 6 чел.
Такая гидроизоляция хотя и обеспечивает достаточную надежность и долговечность конструкций, но ее устройство является трудоемким и небезопасным процессом. К числу недостатков оклеенной гидроизоляции относят также сезонность работ, сползание гидроизоляции с вертикальных и наклонных поверхностей в жаркое время и др.
Начиная с 70-х гг., происходит переход на полимербитумные мастичные гидроизоляции, в том числе на основе смесей эпоксид-но-фуранового полимера с нефтяным битумом, отвердителем, наполнителем и растворителем. При этом можно применять два вида мастичной гидроизоляции: с армированием стеклотканью и безру-лонную (безосновную) толщиной до 3 мм.
Полотнища стеклоткани при устройстве мастичной гидроизоляции с армированием укладывают на первый слой мастики внахлестку (50—100 мм), после чего на стеклоткань наносят второй слой мастики. Безрулонную гидроизоляцию наносят в два слоя с перерывом 10—15 ч.
Тип гидроизоляции выбирают на основе технико-экономического сравнения возможных вариантов с учетом: конструктивных особенностей сооружения; величины гидростатического давления; требуемой категории сухости помещений внутри сооружения; химической агрессивности грунтовых вод и требуемой коррозийной стойкости гидроизоляции; необходимой механической прочности и трещиностойкости гидроизоляционных покрытий при воздействии статических и динамических нагрузок; местных условий и технологий производства работ. В общем случае при выборе типа гидроизоляции можно придерживаться следующих рекомендаций.
1. Обычные подземные конструкции с грунтовой засыпкой — холодная асфальтовая гидроизоляция на всех поверхностях; оклеечная и полимерная пленочная — на горизонтальных поверхностях; этиленовая и битумно-полимерная, окрасочная — на вертикальных.
2. Подземные конструкции, погружаемые в грунт (шпунт, опускные колодцы, сваи и пр.) — цементная и асфальтовая (горячая) штукатурка, эпоксидно-каучуковая окраска, иногда с армированием стеклосеткой.
3. Напорные грани сооружений, омываемые водотоками — асфальтовая штукатурная (горячая) или окрасочная, эпоксидно-кау
чуковая, иногда с армированием стеклосетками; возможно применение цементного штукатурного покрытия.
Деформационные швы. Постоянно действующими элементами бетонных и железобетонных конструкций подземных сооружений являются деформационные швы, которые требуют особого внимания при устройстве гидроизоляции.
Следует подчеркнуть полную непригодность заливки швов горячими битумами, асфальтовыми мастиками и растворами из-за их недостаточной трещиностойкости, а разжиженными и эмульсионными мастиками — из-за их малой водоустойчивости. Деформационные швы для придания им водонепроницаемости гид-роизолируют с применением специальных конструкций, уплотнением оклеенными герметиками из стеклоэластиков на основе эпоксидно-каучуковых, тиоколовых и битумно-наиритных материалов, а также резиновых лент.
Прямые и слегка расходящиеся стыки устраивают с уплотнением жгутом из резины, гернита, пороизола и заливкой тиоколовым герметиком КБ-05 или бутилкаучуковой мастикой ЦПЛ-2, иногда с защитой чеканкой цементным раствором.
Гидроизоляция железобетонных обделок, возводимых методом «стена в грунте». Опыт строительства и эксплуатации подземных сооружений показывает, что водонепроницаемость железобетонных обделок, возводимых методом «стена в грунте», тесно связана с особенностями конструкции, применяемой технологией и гидрогеологическими условиями строительства и зависит главным образом от водонепроницаемости: бетона траншейных стен, стыков забетонированных секций, узлов сопряжения с другими элементами обделки; используемых гидроизоляционных материалов.
Однако, в большинстве случаев достаточный уровень водонепроницаемости «стен в грунте» на метрополитенах стран СНГ, в том числе России, обеспечить так и не удалось. В частности, главный инженер «Минскметропроекта» П.Б. Юркевич в своей статье «Кого мы обманываем?» [122] отмечает, что при строительстве и эксплуатации ст. «Восток» Минского метрополитена (первой в серии односводчатых станций из укрупненных сборных железобетонных элементов) в гравелистых песках выявились трудности в обеспечении водонепроницаемости обделки. При бетонировании тран
шейных стен имели место случаи применения укорочения арматурных каркасов и пропуски отдельных захваток, которые затем восстанавливали в открытом котловане после извлечения валунов, а несвоевременное бетонирование отдельных секций приводило к деформации стен. Кольматированный грунт зачастую зависал на гранях арматурных каркасов, в результате чего у некоторых секций траншейных стен отсутствовал защитный слой бетона рабочей арматуры.
В целях исправления дефектов было принято решение нанести на лицевую поверхность траншейных стен слой цементно-песчаного торкрет-раствора М 300.
Однако из-за трудоемкости пескоструйной очистки поверхности торкрет-раствор часто наносили прямо по грязевой корке. В процессе перекрепления и снятия временной крепи в слое торкрет-раствора в зоне стыков, забетонированных с неизвлекаемым металлическим ограничителем секций траншейных стен, раскрывались вертикальные трещины шириной 2—3 мм. Наряду с этим в качестве компенсаторов часто использовался обыкновенный жгут из скрученного гидростеклоизола с безмастичной приклейкой фартука. При этом размещение компенсатора в гидроизоляции свода и лотка вдоль стен принималось произвольное. Все это привело к появлению в пятовых частях свода обделки станции течей, совпадающих с продолжительными или ливневыми дождями.
При строительстве ст. «Молодежная» Минского метрополитена нарушения технологии при сооружении траншейных стен привели к появлению течей не только в стыках, но и через тело бетона. Применение грейферного оборудования на жесткой штанге вызвало на стыках смежных секций образование грязевых клиньев, расширяющихся книзу. Вследствие этого потребовалось выравнивание лицевой поверхности стен, а также устройство защиты от повреждений битумной оплавляемой гидроизоляции при бетонировании узлов сопряжений.
Практика показала также необходимость учета при строительстве солнечного облучения. В открытых котлованах поверхность массивных траншейных стен нагревается неравномерно, вызывая температурные напряжения в выравнивающей штукатурке, отслаивание ее от бетона стен и растрескивание. В результате этих факторов после обратной засыпки котлована ст. «Молодежная» выя
вились значительные течи, которые удалось подавить инвестированием в стыки элементов состава на основе пенетрона, а также нанесением его на поверхность обделки в зонах фильтрации.
Станцию «Осокорки» Киевского метрополитена возводили в водонасыщенных песках. Проектом предусматривалась замкнутая схема гидроизоляции обделки, включающая в себя двухслойное оплавляемое покрытие лотка и свода из гидростеклоизола и металло-изоляцию монолитных железобетонных траншейных стен. Сопряжение оплавляемой рулонной гидроизоляции с металлоизоляцией приняли традиционное — с использованием прижимных планок и крепежных болтов. Но практика показала, что сочетание двух разнородных изоляционных материалов без дополнительных эластичных уплотнительных прокладок не может обеспечить надежной водонепроницаемости. Неудачным оказалось и размещение компенсаторов в зоне сопряжения с металлоизоляцией, хотя оно и соответствовало характеру деформаций обделки. Конструкция примененного типового компенсатора не смогла обеспечить целостность гидроизоляции, поскольку не рассчитана на те деформации узлов сопряжения обделки, которые происходят при обратной засыпке.
Некоторые особенности гидроизоляции «стен в грунте» можно рассмотреть также на примерах строительства станций Московского метрополитена.
При возведении ст. «Улица Подбельского» была применена (с учетом высокого уровня грунтовых вод) замкнутая схема гидроизоляции обделки, включающая в себя оплавляемую рулонную гидроизоляцию лотка и перекрытия, сопряженную с металлоизоляцией траншейных стен с помощью прижимных планок и крепежных болтов. Несмотря на устройство сплошной дорогостоящей металлоизоляции, исключить течи в обделке через узлы сопряжения также не удалось.
Появление течей в обделке ст. «Бибирево», схожей со станциями «Партизанская» и «Молодежная» в Минске, можно было спрогнозировать изначально, имея в виду, что она сооружалась в более сложных гидрогеологических условиях. На этой станции разделение каркасов обделки и траншейных стен в указанных условиях привело к большим деформациям и повреждению гидроизоляции. Кроме того, особенно уязвимыми местами в замкнутой схеме оплавляемой гидроизоляции оказались примитивные компенсаторы покрытия вдоль стен и зоны потенциальных разрывов гидроизоляционного покрытия на стенах в узлах сопряжения с лотком и перекрытием.
Практика строительства «стен в грунте» со всей определенностью показала, что требуют совершенствования не только сама конструкция гидроизоляции, но и применяемые гидроизоляционные материалы. Несовершенными оказались конструкции компенсаторов, рекомендуемые действующими нормами ВСН 104-93 [8], тем более кустарно изготовленные. Ряд применяемых обделок имеет такие относительные деформации, которые предлагаемые компенсаторы воспринять не в состоянии. А промышленное производство уплотнительных лент и компенсаторов деформационных швов в стране практически не налажено.
Решение об использовании металлоизоляции траншейных стен также можно отнести к ошибочным, поскольку обеспечить полное сцепление листовой металлоизоляции с бетоном траншейных стен и ликвидировать воздушные полости за ней практически невозможно. В этих условиях неизбежны протечки и активная коррозия металла. Неудачной является конструкция скреплений оплавляемой рулонной гидроизоляции из прижимных планок и крепежных болтов с гайками без упругих уплотнительных элементов. Гидростек -лоизол и эпоксидно-каменноугольная мастика как материалы гидроизоляции траншейных стен не соответствуют условиям применения. При используемых материалах и технологиях траншейные стены будут сухими только в том случае, когда нет воды.
Жесткое соединение конструкций свода и траншейных стен, вызывающее совместность деформаций, не защищает гидроизоляцию от повреждений. Ненадежность мест обрыва оплавляемой гидроизоляции на стенах без использования уплотнительных элементов, а также применяемая конструкция стыков секций траншейных стен не могут гарантировать полную водонепроницаемость обделки.
Применяемым в отечественной практике строительства станциям метрополитена открытого способа работ присущи упрощенные конструкции и технологии возведения траншейных стен, что приводит к невозможности обеспечения водонепроницаемости сооружений.
Учитывая достижения и тенденции мирового опыта, целесообразно совершенствовать конструкции гидроизоляции с использованием синтетических полимерных гидроизоляционных материалов. В частности, в условиях постоянного уровня грунтовых вод или при
наличии водоупора в основании сооружения может применяться схема гидроизоляции, показанная на рис. 19.1, а.
При наличии на участке строительства постоянного уровня грунтовых вод, превышающего уровень перекрытия, или при сочетании достаточно высокого уровня грунтовых вод с отсутствием водоупорных грунтов в основании траншейных стен рекомендуется применять замкнутую схему гидроизоляции обделки (рис. 19.1, б), предпочтительно с использованием синтетических полимерных материалов.
Пластиковая гидроизоляция для монолитных траншейных стен должна изготавливаться в виде листов с анкерными продольными ребрами. Технология устройства пластиковой гидроизоляции достаточно проста. Стандартные листы изоляции закрепляют на нужной грани арматурного каркаса с помощью крючьев из гибкой проволоки через отверстия, просверленные в анкерных ребрах по месту. Стыки отдельных листов сваривают плоскими полосовыми пластиковыми накладками, формируя сплошное гидроизоляционное полотнище бетонируемой секции стены. Стыки полотнищ смежных секций стен заваривают после разработки котлована специальными упругими пластиковыми накладками, а для непрерывных стен — накладками из того же пластика.
Если для траншейных стен применяют сборные железобетонные панели, их пластиковую гидроизоляцию выполняют в заводских условиях. При устройстве гидроизоляции сборной железобетонной панели траншейной стены пластиковое полотнище (экран) укладывают на дно опалубочной формы, затем подают бетонную смесь. Смесь уплотняют вибратором с гибким валом. Термическая обработка изделия не допускается. Стыки отдельных панелей траншейных стен можно заваривать полосовыми накладками или, при необходимости, специальными профилями, воспринимающими усилия растяжения. Рулонную гидроизоляцию лотка выводят на стены и приваривают к пластиковой гидроизоляции. С учетом особенностей деформаций отдельных элементов обделки в гидроизоляции устраивают, при необходимости, компенсаторы.
С целью создания замкнутого контура, а также вывода фартука гидроизоляции за траншейные стены для отвода фильтрующихся через грунтовую засыпку дождевых вод пластиковый компенсатор выполняют в виде тройника, свариваемого как с рулонной гидро-
Рис. 19.1. Конструк тивные схемы гидро изоляции стыков од носводчатой стан ции метрополитена из монолитного же лезобетона с несу щими (а) и частично несущими (б) тран шейными стенами: 1 траншейная стена (бетон класса В25); 2 уплотни тельная лента из синтетического ма териала; 3 моно литный свод из бе тона класса В25; 4 выравнивающий слой 5 30 мм це
ментно песчаного раствора Ml00; 5 рулонная гидроизоляция; 6 ком пенсатор из синтетического материала; 7 фартук рулонный гидроизоля ции; 8 защитный слой 5 30 мм цементно песчаного раствора Ml00, арми рованный стальной сеткой; 9 подготовка 5 120 мм из бетона класса В7,5;
10 защитный слой 5 30 мм цементно песчаного раствора Ml00; 11 моно
литный лоток из бетона класса В25; 12 пластиковая гидроизоляция; А стык стены со сводом; Б стык стены с лотком; В стык конструкций наружной и внутренней стены
изоляцией свода, так и с пластиковой гидроизоляцией стен. Гидроизоляционный фартук приваривают за траншейной стеной к уплотнительной пластиковой ленте.
Конструктивная схема обделки с замкнутой гидроизоляцией (см. рис. 19.1, а) имеет некоторое отличие от обделки с незамкнутой гидроизоляцией (см. рис. 19.1, б). Оно заключается в том, что монолитный железобетонный пологий свод посредством развитых пят опирается как на траншейные стены, так и на монолитные железобетонные прижимные стены, связанные армированием с лотком. Такое решение позволяет защитить гидроизоляционное покрытие от повреждений, исключив неравномерность взаимных относительных осадок траншейных и прижимных стен при обратной засыпке обделки, а также защитить ее как при пожаре, так и при прокладке по стенам новых кабельных сетей.
В случае неудовлетворительного качества бетона траншейных стен не потребуется вскрытия гидроизоляции для вырубки и замены бетона. Достаточно выполнить усиление армирования монолитной прижимной стены.
Пластиковые гидроизоляционные покрытия в состоянии заменить традиционные гидроизоляционные материалы или комбинироваться с ними и имеют широкие перспективы применения в строительстве подземных сооружений открытого и закрытого способов работ.
19.2. Гидроизоляция тоннельных конструкций закрытого способа работ
Гидроизоляцию сооружений закрытого способа работ осуществляют нанесением различных покрытий (торкрет, мастики, оклеенная изоляция) или прокладкой полимерных пленок между грунтом и обделкой; в стыках и швах как сборной, так и монолитной обделок выполняют конструктивные мероприятия (чеканку).
Торкретное покрытие толщиной до 4 см выполняют методом набрызга на поверхность бетонной обделки смеси цемента, песка и воды. Наиболее часто его применяют в камерных выработках и сборных обделках для повышения водонепроницаемости стыков. Торкрет иногда наносят по проволочной сетке диаметром 2—6 мм,
толщина при этом возрастает до 5—6 см. Взамен торкрета иногда применяют набрызгбетон.
В тоннелях получила распространение гидроизоляция на основе компаунда, выполненного из эпоксидной смолы ЭД-5 (20 %), фурфуролацетатного мономера ФА (20 %) с добавкой отвердителей (10 %) и тонкоизмельченного кварцевого песка (50 %). Компаунд приготовляют непосредственно перед нанесением, которое производят пистолетом-распылителем или специальной форсункой. Такое покрытие толщиной 2—3 мм применяют для обделок тоннелей, рассчитанных без допущения трещин, или при необходимости высокой водонепроницаемости.
В сложных гидрогеологических условиях применяют жесткую (чаще всего металлическую) гидроизоляционную оболочку или оклеенную гидроизоляцию из 3—4 слоев рулонного материала, наклеиваемого на изолируемую поверхность. Изнутри тоннеля гидроизоляция поддерживается железобетонной «рубашкой», воспринимающей нагрузки гидростатического давления. В качестве основы оклеенной гидроизоляции применяют материалы неорганического происхождения, не подверженные гниению (гидростеклоизол и др.). Число слоев рулонного материала в изоляционном покрытии определяют в зависимости от гидростатического давления.
Гидроизоляция сборных тюбинговых обделок. Сборные тюбинговые обделки тоннелей для обеспечения полной водонепроницаемости требуют обязательного проведения гидроизоляционных работ. Местами возможной фильтрации подземных вод в тоннель являются швы между тюбингами, отверстия для болтов и для нагнетания.
Гидроизоляцию швов между тюбингами осуществляют зачекан-кой канавок на стыках тюбингов расширяющимся цементом. Для предотвращения проникания воды через болтовые отверстия применяют полиэтиленовые или стальные сферические шайбы с асбо-битумной мастикой. При завинчивании гайки сферические шайбы распрямляются и запрессовывают мастику или полиэтилен в зазор между болтом и болтовым отверстием. В отверстия для нагнетания ввинчивают чугунные пробки, под головки которых подкладывают специальные шайбы из асбобитумной мастики.
В комплекс работ входят следующие операции: очистка лотка и боков тоннеля от грязи и мусора, замена монтажных болтов посто
янными с асбобитумными шайбами, очистка чеканочных канавок при помощи пескоструйного аппарата и чеканка швов расширяющимся цементом. Гидроизоляционные работы ведут снизу вверх. В первую очередь выполняют первичную очистку лотка тоннеля от грязи. Вслед за этим осуществляют окончательную подтяжку болтов и замену дефектных болтовых соединений.
Отдельную рабочую смену (как правило, ночную) отводят на очистку чеканочных канавок и отверстий в спинках тюбингов пескоструйным аппаратом. При работе пескоструйного аппарата выделяется большое количество пыли, что исключает возможность выполнения в это время других работ. Для уменьшения пылевыде-ления применяют пескоструйное сопло с устройством для увлажнения песчано-воздушной струи.
В очередную смену зачеканивают очищенные швы и ввинчивают пробки с асбобитумными шайбами в отверстия для нагнетания. Для чеканки швов применяют расширяющийся цемент РЦ со сроком схватывания от 5 до 10 мин, а в местах интенсивных течей — марки БРЦ со сроком схватывания от 2,5 до 5 мин. Швы заполняют цементной массой вручную, а затем с помощью пневматических молотков типа РБ-42 или РК-43 осуществляется их уплотнение (чеканка). В особых случаях, при интенсивном притоке воды, применяют предварительную зачеканку канавок освинцованным асбобитумным шнуром или свинцовой проволокой.
Гидроизоляция шахтных стволов и эскалаторных тоннелей. Гидроизоляционные работы в шахтных стволах и эскалаторных тоннелях аналогичны работам в перегонных тоннелях со сборными тюбинговыми обделками. Однако, эти работы не всегда обеспечивают полную водонепроницаемость обделки, так как со временем при эксплуатации в экстремальных условиях знакопеременных температур обделки подвержены интенсивному дефектообразованию, нарушению гидроизоляции, обводнению и, как следствие — нале-деобразованию и коррозии металлических конструкций. В настоящее время значительно увеличились расходы на их содержание, и 90 % стволов требуют ремонта и реконструкции. Эффективными способами гидроизоляции могут быть противофильтрационные завесы, химическое закрепление грунтов, замораживание, шпунтовое ограждение, водонепроницаемые материалы обделок и пр.
Помимо совершенствования конструкций и повышения водонепроницаемости материала обделки, для гидроизоляции стволов применяют специальные гидроизоляционные материалы: битум и различные смеси на битумной основе, полимерные материалы (карбамидные и эпоксидные смолы и др.), полимерные экраны, а также тампонаж окружающего грунтового массива цементными и глиноцементными растворами и синтетическими материалами.
Одной из важных мер повышения водонепроницаемости монолитных бетонных обделок является совершенствование состава бетонных смесей и введение в них комплексных добавок, повышающих качество бетона.
Чугунная тюбинговая обделка, применяемая в сложных гидрогеологических условиях, пропускает воду в стыках: она поступает главным образом через горизонтальные швы колец (до 70 % общего объема водопритока) и болтовые соединения (20—25 %). Кроме того, 9—9,5 % поступает через соединительные (пикотажные) швы и 0,5—1 %—через тампонажные отверстия. Другим фактором, обусловливающим водопроницаемость тюбинговой крепи, является расстройство стыков от температурных деформаций в процессе проходки и эксплуатации ствола. Проф. Н.С. Булычев предложил конструкцию водозащитного экрана, создаваемого вокруг ствола непрерывной щели, заполняемой эпоксидным компаундом. Щель образуют с некоторым наклоном, что облегчает ее заполнение компаундом, а также разгружает грунты между щелью и поверхностью обделки ствола. Полость щели непосредственно соединяется с за-тюбинговым пространством водоупорного венца, которое также заполняется компаундом, создавая непрерывную преграду движению воды в закрепленном пространстве.
В связи с широким применением железобетонных сборных обделок стволов при проходке способом замораживания и для крепления устьев стволов целесообразно применение битумнолатексных покрытий. Такой тип гидроизоляции реализован в 60-е гг. XX в. ЦНИИПподземмашем при проходке ствола шахты «Глубокая» в Донбассе.
Значительный интерес представляет применение полимерных водонепроницаемых экранов. Схема возведения крепи с таким экраном разработана ВНИИОМШСом и осуществлена при сооружении
стволов Солигорского калийного комбината № 4. Одновременно с проходкой возводили передовую бетонную крепь толщиной 400 мм на длину заходки. После сооружения опорного венца снизу вверх возводили чугунную тюбинговую обделку с предварительной укладкой полимерного экрана, который разматывали с катушки-конвейера и прижимали к внутренней поверхности бетонной крепи специальными манипуляторами. Стыки экрана замоноличивали тепловой сваркой. Пространство между тюбингами и полимерным экраном заполняли бетоном.
Для устройства экрана рекомендуется применять полиэтилен, полиизобутилен, поливинилхлорид и другие синтетические пленки. В Германии при сооружении стволов применяют экран из поливинилхлоридной пленки толщиной 3,6 мм. Исследования, выполненные ВНИИОМШСом, показали, что водонепроницаемость полимерных экранов в толще бетонной крепи сохраняется при гидростатическом давлении до 1 МПа.
Широко применяют для подавления водопритоков в стволы предварительный и последующий тампонаж окружающих грунтов.
Одним из видов гидроизоляции стволов является «глиняный экран». В Ленметрогипротрансе предложено создавать его на базе кембрийских глин, которые разрабатываются в забоях строящегося метрополитена. Однако они обладают существенным недостатком: теряют гидроизоляционные свойства при замораживании— оттаивании. По заданию Ленметрогипротранса и Дирекции строящегося метрополитена производственным объединением «Спецтам-понажгеология» разработаны такие гидроизоляционные составы, которые сохраняют свои свойства при переменном замораживании и оттаивании. Суть предложений Ленметрогипротранса заключается в следующем.
1. Для реконструированных стволов сооружают внутри них конструкции из сборных бетонных блоков с обеспечением зазора между обделками размером 250 мм. Это пространство заполняют глиноцементным раствором с противоморозными добавками. Разработана технология подачи раствора в межобделочное пространство.
2. Для вновь строящихся стволов с применением замораживания устраивают внутри разработанного пространства обдел
ку из сборных железобетонных тюбингов с зазором 250 мм между ледогрунтовой стенкой и конструкцией на длине 3—6 м, который заполняется глиноцементным раствором с добавками. Между заходками устраиваются башмаки, позволяющие фиксировать геометрию монтируемых участков ствола и изолирующие участки заходок.
Затвердевший раствор обладает гидроизоляционными и прочностными характеристиками природных глин, превышающими характеристики окружающего оттаявшего грунта, достаточным сцеплением с обделкой ствола, пластическими свойствами, компенсирующими деформации при знакопеременных температурах. Экран ремонтопригоден. При появлении трещин и других нарушений возможно повторное нагнетание в межобделочную и за-обделочную среду.
Этот способ гидроизоляции позволяет отказаться от дорогостоящих чугунных обделок стволов, металло- и других видов изоляции, значительно снизить эксплуатационные расходы на содержание конструкций обделок, безболезненно разместить в стволе постоянные коммуникации и обслуживать их.
Все работы по гидроизоляции обделки наклонного хода осуществляют после его проходки, оттаивания и стабилизации грунтового массива.
В верхней части сечения тоннеля работы выполняют с инвентарных переносных подмостей. Для опускания в тоннель материалов и выдачи на поверхность строительного мусора используют скиповый подъем. Следует отметить, что при сооружении эскалаторных тоннелей в грунтах, дающих осадку, гидроизоляционные работы необходимо проводить лишь после прекращения интенсивных осадок, т.е. непосредственно перед монтажом эскалаторов.
Для перехвата воды, поступающей в тоннель через места нарушенной гидроизоляции, по его своду навешивается водозащитный зонт с боковыми продольными желобами, отводящими воду в зумпф дренажной перекачки. Кроме того, наличие зонта в верхней части тоннеля обеспечивает гладкую внутреннюю поверхность свода эскалаторного хода, что упрощает и удешевляет его архитектурное оформление (см. п. 15.2).
19.3. Нормативы по гидроизоляции тоннельных конструкций
ЦНИИС при участии Метрогипротранса, СКТБ Главтоннель-метростроя и ряда метростроительных организаций разработал ВСН 130-92 [11] и ВСН 104-93 [8] по вопросам гидроизоляции тоннельных конструкций. В основу норм положены результаты исследований и опытно-промышленного внедрения гидроизоляционных материалов и технологий, созданных за предшествующие годы. Основная направленность документов — приведение норм в соответствие с современным состоянием отечественного и зарубежного тоннелестроения и достижениями в этой области.
В ВСН 130-92 включены положения о герметизации болтовых соединений с использованием сэвиленовых шайб, о герметизации тампонажных отверстий с использованием полиэтиленовых пробок, гидроизоляции стыков блоков способом торкретирования, герметизации стыков упругими резиновыми прокладками, тампонаже трещин и сколов в железобетонных блоках толщиной не менее 200 мм в конструкциях, эксплуатирующихся при гидростатическом напоре до 0,35 МПа.
Для герметизации болтовых соединений, наряду с традиционно используемыми комплектами асбобитумных и металлических шайб, как для замены монтажных болтов, так и для использования непосредственно при монтаже обделок перегонных тоннелей и притон-нельных сооружений предусмотрено применение уплотнительных шайб из полимерных материалов. Качество герметизации болтовых соединений сэвиленовыми и асбобитумными шайбами признано равноценным, но у первых ниже себестоимость и трудоемкость изготовления. Кроме того, они имеют преимущества в отношении экологии и технологии производства работ. В настоящее время асбобитумные шайбы практически вытеснены сэвиленовыми. Полиэтиленовые пробки для тампонажных отверстий чугунных тюбингов, прошедшие испытания в Мосметрострое, распространены пока в меньшей степени, чем сэвиленовые шайбы.
Для гидроизоляции стыков блоков и тюбингов впервые введен метод торкретирования. Этот метод с использованием безусадочных растворов, разработанный минской лабораторией ЦНИИСа, успешно применен в Минскметрострое, Ленметрострое, Протонтоннель-строе, ряде других организаций и является весьма перспективным.
Из числа традиционно используемых чеканочных материалов (БУС, ВРЦ, свинец) исключен гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (ГГРЦ) из-за нестабильности его свойств: повышенное расширение цементного камня в затвердевшем состоянии при попадании воды приводит к сколу обделки в зоне чеканочных канавок и разгерметизации конструкций. Это подтверждено лабораториями качества СМР при киевской и днепропетровской дирекциях строящихся метрополитенов (ДСМ) в результате многолетних проверок в различных городах. Днепропетровская ДСМ предлагала также изъять из числа герметизирующих материалов БУС — он нетехнологичен и экологически вреден.
Ручная чеканка специальным инструментом зачастую вызывает вибрационную болезнь у чеканщиков. В состав БУСа, наряду с другими компонентами, входят ГГРЦ и асбест хризотиловый, обладающий канцерогенными свойствами, вызывающими легочные заболевания. По мнению некоторых специалистов, БУС пока заменить нечем. Однако это не совсем так.
Вместо БУСа для ремонта и гидроизоляции тех же обделок может быть с успехом применен новый для метростроения материал «Монофлекс», обладающий очевидными преимуществами перед БУ Сом: механизированное приготовление смеси и механизированное заполнение под давлением 0,5—0,6 МПа стыков, отверстий; возможность ремонта сколов обделки; отсутствие вредных для здоровья компонентов; более высокая (в 2 раза) производительность механизированной гидроизоляции по сравнению с работами вручную; обеспечение качественного заполнения любых стыков и отверстий смесью под давлением [94].
Особенность технологии «Монофлекс» — тщательный контроль современными средствами качества смеси при приготовлении, стабильность характеристик смеси по прочности, деформативности, адгезии, водонепроницаемости. Опыт применения технологии «Монофлекс» в строительстве гидротехнических сооружений (очистные, бассейны, резервуары и др.) насчитывает 30 лет, в метростроении — более 10 лет. Выпуск оборудования и материалов ведется в России на промышленной основе. Технология «Монофлекс» была впервые регламентирована «Рекомендациями по применению безусадочного цемента для гидроизоляции стыков сборных обделок тоннелей
метрополитенов механизированным способом», утвержденными Главтоннельметростроем 10.03.1987 г., имеет гигиеническое заключение и пожарный сертификат, защищена патентами России, Белоруссии, США. В настоящее время она регламентирована стандартом корпорации «Трансстрой» СТП 011-2000 и техническими условиями на материалы «Монофлекс А» ТУ 5745-001-42806964-97 и «Монофлекс Е» ТУ 2513-002-14738433-97.
В нормы включены также новые подразделы «Герметизация стыков упругими резиновыми прокладками» и «Тампонаж трещин и сколов в блоках», методы которых разработаны ЦНИИСом и Мосметростроем применительно к обделкам типа «Вайсс унд Фрейтаг», способным эксплуатироваться при повышенном гидростатическом давлении (до 0,35 МПа). Это позволяет сразу получить водонепроницаемую обделку и исключает применение вредных материалов. Добавлены также положения, относящиеся к работе гидроизоляционным агрегатом СМБ-020 и установкой «Гидротон».
В состав ВСН 104-93 включены новые разделы «Гидроизоляция элементов цельносекционной обделки в заводских условиях или на полигоне» и «Устройство гидроизоляции сопряжений тоннельных обделок», а при нанесении выравнивающего или защитного слоев набрызгом используется ВСН 126-90 [9].
В заключение раздела приведем некоторые общие рекомендации по гидроизоляции подземных сооружений, изложенные проф. А.А. Шилиным в работах [116; 117]. Автор отмечает, что выбор материала для гидроизоляции подземных и заглубленных сооружений метрополитена является сложным процессом и требует профессионального подхода. Однако ошибочно считать, что способность конструкций сооружения противостоять воде зависит только от применяемого материала гидроизоляционной мембраны.
В условиях городской застройки давление грунтовых вод на подземные конструкции чаще всего не превосходит 0,5—0,6 МПа. Поэтому бетон с водонепроницаемостью W4—W8 полностью обеспечивает герметичность сооружения.
В подземных сооружениях метрополитена протечки происходят, как правило, в уязвимых для фильтрации местах: стыках, сопряжениях, швах (рис. 19.2).
Рис. 19.2. Наиболее уязвимые места протечек воды в железобетонных конструкциях тоннелей метрополитена:
а закрытый способ работ: 1 Т образный стык блоков в соседних кольцах;
2 сопряжение; 3 тампонаж запренного пространства; б открытый спо соб работ: 1 сопряжение «стена пол»; 2 сопряжение «перекрытие сте на»; 3 швы горизонтальных и вертикальных заходок бетонирования; 4
деформационные швы; 5 сопряжения
Следует отметить, что протечки в этих местах могут возникать при любых типах гидроизоляционных мембран и любых герметизирующих материалах.
Ориентироваться лишь на рекомендации фирмы-производителя гидроизоляционных материалов неправильно. Любое минимальное отклонение от рекомендаций (а оно часто неизбежно в условиях строительной площадки) освобождает поставщика материалов от ответственности.
Для принятия правильного решения следует проанализировать пригодность материалов для применения как в кратковременном, так и в долгосрочном плане, необходимо получить отзывы по их использованию на других объектах и лучше всего — лично от владельцев этих сооружений. Безусловно, это относится только к тем материалам, которые имеют соответствующие общепринятым нормам свойства.
При выборе материалов следует знать и учитывать их недостатки, а они имеются всегда. Гидроизоляционные мембраны из рулонных материалов на основе битума требуют сухого субстрата защитных стяжек, отличаются низкой ремонтопригодностью, плохо поддаются контролю адгезии к субстрату и герметичности швов.
Для рулонного ПВХ самым сложным является сварка и герметичность швов при укладке трех и более листов один на другой. Это имеет место на сопряжениях и при замыкании контура гидроизоляционной мембраны в сооружении. На практике рулоны чаще всего не имеют сплошного приклеивания, укладываются в один слой и любое значительное повреждение пленки приводит к серьезным негативным последствиям.
Материалы безрулонные органические, например, полиуретаны, имеют аналогичные недостатки и, кроме того, нуждаются в контроле толщины слоя.
Гидроизоляционные мембраны из бентонита не применяются при давлении воды более 0,15—0,2 МПа, размываются водными потоками, плохо переносят воздействие солей, циклическое замораживание—оттаивание.
Обмазочные и пенетрирующие мембраны, как и бентонитовые плиты, пропускают пары воды. Они могут быть применимы при раскрытии трещин в бетоне не более 0,3 мм.
Герметизирующие материалы для швов и сопряжений, в большом объеме выпускаемые для этих целей, также имеют свои недостатки.
Гидроизоляционные шпонки из ПВХ, как и мембраны из ПВХ, легко повреждаются при сварке и неремонтопригодны. Особенно много проблем возникает при сварке и контроле сварных стыков.
При сварке шпонок трудности возникают на участках угловых и Т-образных соединений.
Набухающие ленты и жгуты сложно устанавливать при неровной поверхности бетона. Они требуют крепления по всей плоскости, так как при укладке нового бетона могут всплывать. При неправильной укладке они могут также разорвать новый бетон.
Резиновые шпонки и уплотнительные профили наиболее эффективны при герметизации швов сборных конструкций. Сложности в герметизации возникают при соединении и склеивании стыков профиля.
Эпоксидные смолы могут применяться только для силового замыкания трещин и для защиты от паров воды; они не предназначены для гидроизоляционных целей.
Гидроактивные полиуретановые составы, применяемые для инъекций в швы и трещины, имеют усадку, обладают значительной вязкостью, плохо герметизируют трещины с раскрытием менее 0,2 мм и способны обеспечить полную герметичность контура только при непрерывном нагнетании их в соседние отверстия.
При проектировании подземных сооружений во всех случаях необходимо учитывать:
• расположение и раскрытие деформационных швов с учетом изменения свойств грунтов и температурно-влажностных условий;
• разделение сооружения на отдельные части;
• соотношение отдельных частей по форме, массе, гибкости, материалу субстрата;
• взаимное расположение отдельных частей;
• толщину примыкающих одна к другой конструкций, прогнозируемую ширину раскрытия трещин после выполнения бетонных работ;
• ожидаемые вращательные перемещения и смещения отдельных частей сооружения одна относительно другой;
• технологичность выполняемых операций;
• темпы, время и условия производства работ;
• метод строительства (открытый, подземный, сплошным забоем, сверху вниз, снизу вверх и т.д.).
Ключевыми факторами, которым обычно уделяется мало внимания, являются: толщина примыкающих элементов сооружения — стен, полов, покрытий, обделки тоннелей, сооружений; относительная жесткость каждого из элементов; резкие изменения поперечного сечения и наличие острых углов; конструкция швов и сопряжений, а также их герметизация. При этом контроль формирования швов, сопряжений и стыков должен осуществляться как на стадии проектирования, так и на стадиях бетонирования и герметизации.
При производстве работ по созданию гидроизоляционной мембраны необходимо ориентироваться на:
• опыт и квалификацию рабочих и инженерных кадров;
• высокое качество и надежность технологического оборудования;
• рациональную конструкцию гидроизоляционной мембраны;
• технологию производства работ, в том числе в условиях строительной площадки;
• возможность регулирования свойств используемых материалов;
• ремонтопригодность мембраны, деформационных швов и т.п.;
• контроль качества работ в сооружении в целом и на отдельных его участках;
• возможность изменения условий производства работ;
• свойства субстрата и их возможное изменение во времени;
• изменение давления грунтовых вод и их температуру;
• качество подготовки поверхности субстрата перед производством работ;
• возможные перерывы в строительстве сооружения и остановки в технологии производства отдельных видов работ;
• безопасность производства работ;
• эффективность принятого решения по созданию гидроизоляционной мембраны в целом.
При эксплуатации подземных сооружений метрополитена необходимо учитывать:
• изменения проектных условий эксплуатации, которые могут вызвать отказ гидроизоляционной мембраны;
• стоимость неэффективной гидроизоляционной мембраны;
• убытки, получаемые при отказе гидроизоляционной мембраны;
• ремонтопригодность конструкций и возможность выполнения работ по устранению остаточного водопритока;
• квалификацию и опыт персонала, обеспечивающего нормальную эксплуатацию сооружения;
• возможные и вероятные ограничения в эксплуатации сооружения при наличии и увеличении объемов фильтации воды.
Основной задачей при проектировании и строительстве герметичных подземных и заглубленных сооружений является обеспечение надежности гидроизоляционной мембраны на период эксплуатации даже при увеличении затрат. Это всегда предпочтительнее, чем получение незначительной сиюминутной экономии средств.
Многие проблемы, возникающие вследствие неправильно выполненных гидроизоляционных работ, проявляются только после того, когда строители ушли с объекта, а служба эксплуатации, сталкиваясь с серьезными трудностями, не располагает средствами для их решения. Кроме того, условия эксплуатации редко позволяют быстро и качественно исправить дефекты гидроизоляционных работ.
Трудно оценить убытки, которые возникают в сооружениях при их заполнении водой, и последствия, к которым это может привести. Но можно с уверенностью утверждать, что стоимость ремонта конструкций и замены эксплуатационного оборудования минимум в 4—5 раз превышает стоимость профилактических мер в процессе эксплуатации, а со временем значительно превосходит стоимость строительно-монтажных работ.
Например, для частичного восстановления герметичности тоннелей различного назначения изнутри требуется минимум от 12 до 30 долл. США на 1 м2, что соответствует стоимости новой гидроизоляционной мембраны или значительно превосходит ее.
До тех пор, пока при строительстве сооружений производителей работ будет интересовать только стоимость возведения объекта, а не эксплуатационные затраты на весь срок его службы, убытки будут не уменьшаться, а неизбежно возрастать.
Контрольные вопросы к главе 19
1. Какие конструктивно-технологические параметры определяют степень водонепроницаемости «стены в грунте»?
2. С какой целью применяют компенсаторы в конструкции гидроизоляции свода и лотка вдоль обделки станции и что обычно игнорируют при их изготовлении?
3. В чем заключается ошибочность решения при использовании металлоизоляции траншейных стен?
4. Какую схему гидроизоляции рекомендуется применять для «стен в грунте», если она заложена в водоупорном слое грунта?
5. В каких случаях следует применять пластиковую гидроизоляцию?
6. Какие новые положения о герметизации стыков конструкций вошли в ВСН 130-92?
7. Какие вопросы гидроизоляции конструкций открытого способа приведены в ВСН 104-93?
8. Что следует учитывать при выборе гидроизоляции подземных сооружений метрополитена на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации?
Раздел VIII. ОХРАНА ТРУДА
И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
В МЕТРОСТРОЕНИИ
Глава 20. ОХРАНА ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
20.1. Система обеспечения безопасности в метростроении
Система обеспечения безопасности в метростроении — это комплекс законодательных актов, нормативных документов и инструкций по вопросам охраны труда и промышленной безопасности (социально-экономических, организационных, технических, технологических, гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий); средств защиты, обнаружения, контроля и ликвидации опасных факторов и воздействий (материалы, устройства контроля, сигнализации и т.д.), направленных на обеспечение безопасности, сохранности здоровья и работоспособности людей в процессе труда, а также на предотвращение и ликвидацию аварийных ситуаций [56; 57; 83—85; 88; 90; 91].
Для обеспечения безопасности в подземном строительстве необходимы: комплексный подход к разработке систем защиты (в том числе: безопасных и экологически чистых технологий, средств механизации горнопроходческих работ и транспортирования грунта и материалов); уменьшение рисков аварий за счет проработки вопросов безопасности в ПОС и ППР; проходка опережающих выработок для уточнения и прогнозирования гидрогеологических условий; повышение ответственности всех участников строительства; обеспечение всех работающих средствами коллективной и личной защиты; качественная проработка документов промышленной безопасности и плана ликвидации аварий.
Требования по безопасным условиям труда в строительстве регламентируют СНиП Ш-40-80 «Техника безопасности в строитель
стве», Правила безопасности при строительстве подземных сооружений ПБ 03-428-02 [56] и другие нормативные документы. При производстве работ в действующих подземных сооружениях необходимо, кроме того, руководствоваться ведомственными правилами безопасной эксплуатации сооружений.
Работы по строительству подземных сооружений, в соответствии с Федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» № 116-ФЗ от 21.07.97 г., относят к категории опасных. Такие работы должны проводиться на основе специально разработанных инструкций по охране труда для конкретных профессий рабочих, предусмотренных штатным расписанием предприятия; на отдельные виды работ (производственные процессы), специфические для предприятия, а также на наиболее сложные работы и работы с повышенной опасностью, выполняемые работниками.
В каждой строительной организации, ведущей работы в подземных условиях, разрабатывается Положение о производственном контроле за соблюдением требований промышленной безопасности и назначается ответственный за осуществление этого контроля. В соответствии с Положением о производственном контроле руководящие и инженерно-технические работники обязаны регулярно проверять состояние безопасности на рабочих местах и принимать необходимые меры по устранению имеющихся нарушений. Общее руководство работами по охране труда и персональная ответственность за ее состояние возлагаются на руководителя организации (работодателя). Начальник участка или по его поручению — заместитель обязаны проверять состояние каждого рабочего места не реже одного раза в сутки, а горный мастер — не менее двух раз в смену.
В соответствии с Правилами безопасности [56], для каждого строящегося подземного объекта должен быть разработан план ликвидации аварий (ПЛА), пересматриваемый не реже чем через 6 месяцев и утверждаемый не позднее 15 дней до ввода его в действие.
Каждый работающий, заметив опасность, угрожающую людям или сооружению, обязан предупредить об этом работающих в опасной зоне, сообщить работнику технического надзора и по возможности принять меры по устранению опасности. Запрещается находиться на рабочих местах, состояние которых представляет опасность. Исключение со
ставляют работы по ликвидации опасности, при этом оформляется наряд-допуск с указанием необходимых мер безопасности.
На строительстве всех подземных сооружений организуется учет лиц, спустившихся в выработки и вышедших из них на поверхность. Ответственным за учет является работник технического надзора, назначенный приказом. К каждому рабочему месту должны быть сделаны безопасные подходы. Запрещается складирование оборудования, материалов и конструкций на путях передвижения людей и механизмов, а также подтопление подошвы выработок.
При строительстве особо сложных и уникальных объектов, а также в случаях применения нестандартных оборудования или технологий проектная организация должна разработать дополнительные мероприятия и согласовать их в установленном порядке в Госгортехнадзоре России. При этом к особо сложным и уникальным объектам относят: тоннели протяженностью более 2 км; тоннели кругового очертания диаметром более 10,5 м; выработки площадью поперечного сечения более 100 м2, сооружаемые в неустойчивых грунтах; выработки сечением более 25 м , сооружаемые в плывунных грунтах; выработки, сооружаемые при гидростатическом давлении 30 МПа и более; выработки под реками или другими водными преградами.
В случае применения в проектах технических решений, которые не регламентированы действующими Правилами [56] и нормативными документами или имеют отступления от требований, изложенных в этих документах, генеральный проектировщик должен разработать в проекте для конкретного объекта условия, обеспечивающие безопасное производство работ, и утвердить их в соответствующих органах государственного надзора. Проектная документация на строительство, реконструкцию, техническое перевооружение, консервацию и ликвидацию подземных сооружений подлежит экспертизе на промышленную безопасность в установленном порядке.
20.2. Охрана труда и промышленная безопасность в ПОС и ППР
Исходными данными для учета требований охраны труда и промышленной безопасности в ПОС являются: объемно-планировочные и конструктивные решения объектов с разбивкой на отдельные участ
ки — заходки или захватки; условия строительства, требующие совмещенного выполнения работ в пространстве и времени, что вызывает необходимость принятия особых мер по защите окружающей среды или строителей; данные по обеспечению строительства энергетическими ресурсами, водой и т.п.; сведения об условиях обеспечения работников санитарно-бытовыми помещениями и средствами защиты. Принятые в ПОС решения по учету требований охраны труда и промышленной безопасности служат основой для определения сметной стоимости строительства и утверждаются заказчиком [91].
Требования охраны труда и промышленной безопасности учитывают в следующих видах документации в составе ПОС и ППР: календарный план; строительный генеральный план; технологические схемы, определяющие последовательность и совмещение работ; решения по охране труда и промышленной безопасности; пояснительная записка.
Для строительства особо сложных сооружений в составе ПОС разрабатывают с учетом требований безопасности труда рабочие чертежи на специальное оборудование, приспособления и оснастку, в том числе: специальную опалубку (несъемную, скользящую и др.); крепления стен котлованов и траншей; оснастку для производства работ способом «стена в грунте» и др.
Разработчики проектных решений по охране труда и промышленной безопасности в ПОС и ППР несут установленную законодательством ответственность за соответствие принимаемых решений требованиям правовых актов по охране труда и промышленной безопасности.
При разработке решений по охране труда необходимо выявить зоны действия опасных производственных факторов, обусловленные технологией и условиями производства работ. При этом опасные зоны, связанные с применением грузоподъемных кранов, должны определяться в ПОС, остальные — в ППР. Производственные и санитарно-бытовые помещения необходимо размещать за пределами опасных зон.
20.3. Предупреждение несчастных случаев и профессиональных заболеваний
Опасные и вредные производственные факторы. Работы по строительству метрополитена обеспечиваются комплексом взаимосвязанных производственных процессов, производственного оборудо
вания, транспорта, механизации и автоматизации, которые при определенных условиях могут создавать опасные и вредные производственные воздействия.
К опасным относят такие факторы, действие которых приводит к травмам или внезапному ухудшения здоровья, к вредным — снижающие работоспособность или вызывающие заболевания. При нарушении правил промышленной безопасности и производственной санитарии опасные и вредные производственные факторы могут приводить к несчастным случаям и профессиональным заболеваниям.
По природе действия опасные и вредные производственные факторы подразделяют на группы: физические, химические, психофизиологические, биологические. Наибольшее количество несчастных случаев приходится на физические факторы: движущиеся транспортные средства, машины и механизмы, подвижные части производственного оборудования. К другим группам относят: отклонения параметров микроклимата в помещениях и на рабочих местах; недостаток освещения; повышенный уровень шума, запыленности; расположение рабочего места на высоте относительно поверхности земли или подошвы выработки; повышенные значения поражающих факторов в электрических цепях и др.
Определенные виды газов, жидкостей, твердых веществ при нарушении правил охраны труда и промышленной безопасности могут вызвать острые отравления и заболевания. Такими вредными веществами на подземных объектах являются: газы, выделяющиеся из грунта и при разложении различных веществ; кислоты, щелочи, ангидриды, применяемые в технологических процессах; лакокрасочные материалы и растворители; смазочные материалы; твердые вещества от изнашивающихся деталей и конструкций и др.
По степени воздействия на организм вредные вещества подразделяют на следующие классы опасности: 1 — чрезвычайно опасные, 2 — высокоопасные, 3 — умеренно опасные, 4 — малоопасные. По характеру воздействия на организм вредные вещества подразделяют на токсические, раздражающие, сенсибилизирующие, канцерогенные, мутагенные и влияющие на репродуктивную функцию.
Не допустить воздействий опасных и вредных производственных факторов на работающих — основная задача всей системы мероприятий и средств по охране труда и производственной санитарии.
Одной из важных задач обеспечения техники безопасности и производственной санитарии является своевременное определение места проявления и уровня опасных и вредных производственных факторов. В этих целях производится сертификация рабочих мест.
Параметры и нормы производственной санитарии. Статистические данные показывают, что до 40 % болезней работников в межсезонные и зимние периоды года обусловлены простудами. Чтобы уменьшить число простудных заболеваний и обеспечить комфортные условия труда, необходимо на рабочих местах создавать требуемые параметры микроклимата.
Одним из основных методов нормализации воздуха является вентиляция, которая должна обеспечить не только микроклимат и чистоту воздуха рабочей зоны, но и соответствие требованиям взрывопожарной безопасности; не способствовать распространению продуктов горения в другие помещения; иметь устройства, обеспечивающие электробезопасность и немедленное отключение при необходимости. Объем приточного воздуха, подаваемого в тоннели и другие сооружения, должен на 15—20 % превышать объем вытяжки. При этом в часы пик количество подаваемого воздуха должно быть не менее 50 м3/ч на каждого человека. Система тоннельной вентиляции должна обеспечивать не менее чем трехкратный воздухообмен в час. Скорость движения воздуха в венттоннелях и стволах не должно превышать 8 м/с, в эскалаторных вентканалах — 15 м/с.
Для нормализации микроклимата в метрополитене применяют: отопление, вентиляцию, кондиционирование воздуха, устройства автоматического регулирования, контроля и сигнализации, теплоотражающие и теплопоглощающие экраны, нагревательные приборы, воздушные души и завесы, тепловоздушные и водяные завесы, тепловые тамбуры и т.п.
Освещение объектов должно обеспечить безопасность движения поездов и пассажиров, нормальную работу обслуживающего персонала, быть надежным, соответствовать требованиям стандартов. Рабочее освещение может быть общим (равномерным и локализованным) и комбинированным, когда к общему освещению добавляют местное. Кроме рабочего и аварийного, применяют эвакуационное, охранное и дежурное освещения, предназначение которых следует из их названия.
Освещенность в метро нормируется в зависимости от характера и разряда зрительной работы, размеров предметов труда и объектов различения, контрастности объектов различения с фоном и пр. Уровень освещенности зависит от мощности источников света и их размещения. Уровни освещенности в тоннеле должны составлять не менее 10 лк на уровне головки рельса, на станции — не менее 100 лк на уровне платформы. При ремонтных работах на ограниченных участках следует применять дополнительное местное освещение (не менее 50 лк).
Нормируются также предельные уровни шума и вибрации, оказывающие вредное воздействие на работающих.
Механические колебания технических систем метро (вибрация) оказывают влияние на конструкции тоннелей, близлежащие сооружения, а также на пассажиров и работников. Основными параметрами вибрации, оказывающими вредное действие на организм человека, являются скорость, частота, направление и продолжительность действия. Наиболее опасны частоты, совпадающие с собственными частотами колебаний отдельных частей тела: для всего тела — 6 Гц, для внутренних органов — 8 Гц, для головы — 25 Гц, для центральной нервной системы — 250 Гц. Вибрации вызывают нарушения в вестибулярном аппарате, костях, суставах, мышцах, нервной системе, что приводит к вибрационной болезни. Для снижения уровня вибрации до допустимых значений применяют демпфирующие покрытия поверхностей контакта работника с виброинструментом, изменение конструкции или режимов пользования инструментами, установку виброизоляторов и виброгасителей, использование индивидуальных средств защиты.
20.4. Охрана окружающей природной среды
Мероприятия экологической безопасности. В соответствии с Федеральным законом «Об охране окружающей среды» (2001 г.), «Экологической доктриной Российской Федерации» (2003 г.) и другими законодательными и нормативными документами в подземном строительстве, как и в других отраслях хозяйствования, принимаются соответствующие природоохранные меры. С момента создания Государствен-ного комитета по охране природы в 1988 г. в стране существует государственная экологическая экспертиза (Главгосэкспертиза), а в ведом
ствах — экспертные группы по направлениям деятельности, целью работы которых является обеспечение промышленной, экономической и экологической безопасности строительства объектов.
Мероприятия по охране окружающей природной среды следует разрабатывать на основании данных инженерно-геологических и инженерно-экологических изысканий.
При строительстве подземных сооружений в числе первоочередных экологических требований стоят: радиационная безопасность от естественных радионуклидов, обеспечение параметров воздухообмена в нормальных условиях и дымоудаления при аварийных режимах вентиляции; снижение шума и вибрации; очистка сточных и загрязненных вод и другие вопросы.
Кроме недопущения вреда окружающей природе, весьма актуальными являются вопросы внутренней экологической безопасности и защиты персонала и пассажиров метрополитена при возникновении чрезвычайной ситуации в городе.
Любая вентиляционная шахта метрополитена, работающая на приток и оказавшаяся на следе первичного облака, за 1,5—3,0 мин (время прохождения первичного облака) закачивает в тоннель столько веществ, что они на протяжении 100 м в окрестностях вент-шахты станут чрезвычайно опасными для людей.
Защита людей от вредных для здоровья факторов.
Защита от шума и вибрации. Виброакустическая лаборатория Тоннельной ассоциации России (ВАЛТАР) проводит исследования, направленные на решение вопросов снижения шума и вибрации транспортных сооружений. Целью исследований является установление единых требований к прогнозированию, проведению измерений и оценок шума и вибрации внутри транспортных сооружений и на прилегающей к жилой застройке территории, а также разработка мероприятий по вибро- и шумозащите [35]. На рис. 20.1 схематически показаны задачи, на решение которых направлены разработанные нормативы.
Цифрами 1—10 на схеме обозначены «Своды правил», позволяющие решать задачи по оценке и снижению шума и вибрации.
1. Прогнозирование величин вибрации от движения поездов метрополитена вблизи перегонных тоннелей и расчет виброзащитных свойств.
Рис. 20.1. Схема распространения вибрации и структурного шума в тоннеле и на земной поверхности:
а от метрополитена; б от наземного («легкого») метрополитена, моно рельсового и автомобильного транспорта
2. Прогнозирование величин вибрации от движения поездов метрополитена и расчет виброзащитных устройств вблизи станций, тупиков и камер съездов.
3. Прогнозирование величин вибрации от движения поездов монорельсовой дороги и расчет виброзащитных устройств.
4. Определение физико-механических свойств грунта при расчетах вибрации в помещениях жилых и общественных зданий от движения поездов метрополитена.
5. Разработка виброизолирующей конструкции верхнего строения пути метрополитена.
6. Проведение акустических расчетов и выбор мероприятий по снижению шума на селитебной территории от источников, расположенных на наземных объектах метрополитена.
7. Проведение акустических расчетов и разработка мероприятий по снижению шума на селитебной территории в окрестностях линии наземного («легкого») метрополитена и монорельсовой дороги.
8. Оценка шума в помещениях жилых и общественных зданий от движения поездов метрополитена.
9. Определение шумовых характеристик машин и механизмов, используемых при строительстве метрополитена.
10. Акустическое проектирование станций метрополитена.
Перечисленные документы содержат наборы необходимых инструкций для решения всего комплекса задач прогнозирования вибрации и шума от действующих транспортных источников и снижения их величин до значений, отвечающих требованиям санитарных норм.
Защита от блуждающих токов. При совмещении сооружений метрополитена с сооружениями другого назначения их внутренние металлические конструкции, заземляющие устройства и арматура железобетонных конструкций должны выполняться раздельно и не иметь связей. Исключение могут составлять сооружения, электроснабжение которых обеспечивается от подстанций метрополитена.
Радиационная безопасность. Радиационно-экологические работы следует проводить на этапах изысканий, строительства и перед сдачей объектов в эксплуатацию.
Радиационно-экологические работы должны выполняться специализированными организациями, имеющими соответствующие разрешения (лицензии).
Строительные работы на закрытых свалках, бывших полях орошения, на участках с насыпным грунтом должны начинаться только после тщательного исследования радиационной опасности с учетом возможного техногенного радиационного загрязнения.
При обнаружении радиоактивного загрязнения почв и грунтов вопросы о необходимости дальнейших изысканий, возможности строительства в этом районе, проведении соответствующих профилактических мероприятий должны решаться отдельно с привлечением органов Госгортехнадзора.
Контрольные вопросы к главе 20
1. Из каких направлений складывается система безопасности строительства подземных сооружений?
2. В чем разница между опасными и вредными производственными воздействиями?
3. Как подразделяются вредные вещества по степени воздействия на организм человека?
4. На какие группы по природе действия подразделяют опасные и вредные производственные факторы?
5. В каких документах ПОС и ППР учитывают требования охраны труда и промышленной безопасности?
Глава 21. ДЕЙСТВИЯ ПЕРСОНАЛА ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СИТУАЦИЯХ.
ГОРНОСПАСАТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ
21. 1. Пожаровзрывобезопасность объектов строительства
Система пожаровзрывобезопасности — это комплекс организационных мер и технических средств, направленных на предотвращение воздействия на людей, здания, сооружения и транспортные средства опасных факторов пожара и взрыва и ограничение материального ущерба от них.
Для каждого объекта строительства должны быть разработаны и задействованы системы обеспечения пожаровзрывобезопасности рабочего и аварийного режимов, а также системы спасения людей и ликвидации пожара и его последствий в случае загорания в любом месте объекта.
Опасными факторами пожара, воздействующими на людей, являются: открытый огонь и искры; повышенная температура воздуха и окружающих предметов; токсичные продукты горения в опасной концентрации, дым, пониженная концентрация кислорода; обрушение и повреждение конструкций зданий, сооружений и установок. Опасные факторы взрыва — разлет осколков разрушаемой среды и воздушная ударная волна.
Все производства по опасности пожара и взрыва подразделяют на взрывопожароопасные (категории А и Б) и пожароопасные (категории В, Г, Д). Категорию производства определяют, исходя из того, что горючие газы, жидкости или пыль могут образовывать в производственном помещении взрывоопасные смеси в объеме, превышающем 5 % свободного объема помещения.
Все взрывоопасные смеси подразделяют на категории в зависимости от величины безопасного экспериментального максимального зазора (БЭМЗ), через который не передается взрыв, и на группы в зависимости от температуры самовоспламенения смеси.
Система пожаровзрывобезопасности разрабатывается для каждого конкретного объекта из расчета, что нормативная вероятность
возникновения пожара равна не более 10 6 в год на каждый пожароопасный узел (элемент) объекта (Рпб < 10 6 пожаров/год).
Предотвращение пожара и взрыва должно достигаться предупреждением образования горючей среды и источников возгорания в ней; уменьшением величин определяющих параметров горючей среды (температуры, давления, количества и пр.) ниже максимально допустимых по горючести. Пожаровзрывобезопасность обеспечивают: максимально возможным применением негорючих и трудно-горючих веществ и материалов вместо пожароопасных; ограничением количества горючих веществ и безопасным их размещением; изоляцией горючей среды; предотвращением распространения пожара за пределы очага; применением конструкций объектов с регламентированными пределами огнестойкости и горючести; применением средств пожаротушения; системой противодымной защиты; применением средств коллективной и индивидуальной защиты людей; эвакуацией людей; применением средств пожарной сигнализации и извещения о пожаре; организацией пожарной охраны объекта.
Предотвращение образования горючей среды обеспечивают регламентацией: допустимой концентрации горючих паров и (или) взвесей в воздухе; допустимой концентрации флегматизатора (вещества, замедляющего горение или негорючее состояние) в воздухе, горючем газе, паре или жидкости; допустимой концентрации кислорода или другого окислителя в газе; горючести обращающихся веществ, материалов, конструкций и оборудования.
Сопротивление зданий, строительных сооружений и конструкций воздействию огня характеризуется пределом огнестойкости, измеряемым временем от начала воздействия огня до потери конструкцией несущей способности. Предельные состояния строительных конструкций по огнестойкости характеризуются потерей или снижением ниже допустимых уровней: несущей способности (возникновением деформаций выше предельных значений или обрушением); теплоизолирующей способности материала (повышением температуры на необогреваемой поверхности в среднем более чем на 160 °C, или в любой точке этой поверхности более чем на 190 °C, в сравнении с температурой конструкции до испытания или более 220 °C независимо от температуры конструкции до испытания); плотности материала (образованием в конструкции сквозных тре
щин или сквозных отверстий, через которые проникают продукты горения или пламя).
Пределы огнестойкости определяют методом огневых испытаний (заводские испытания) и расчетным путем. При расчете конструкций на огнестойкость решают две задачи: теплофизическую и прочностную. Для случая воздействия на конструкцию температурного режима, характеризуемого непрерывным нарастанием температуры, предел огнестойкости конструкции по потере несущей способности определяют как время воздействия пожара, по истечении которого будет достигнута температура, приводящая к снижению несущей способности конструкции до опасного уровня. Для зданий, сооружений и конструкций, применяемых для размещения производства категории А, выбирают степень огнестойкости I или негорючие конструкции; для категории Б — степень огнестойкости I, II или негорючие материалы; для категорий В, Д — любая степень огнестойкости; для категорий Г, Е — негорючие конструкции.
При расчетах исходят из нормальной и аварийной ситуации, когда есть серьезное повреждение оборудования, связанное, например, с выходом веществ в воздушное пространство помещения (повреждение емкости с легковоспламеняемыми жидкостями, испарение растворителей при отключении системы вентиляции и т.п.).
Проектом строительства и сметами в подготовительный период должны предусматриваться и выполняться такие противопожарные мероприятия, как обеспечение строительных площадок временными и постоянными источниками противопожарного водоснабжения, подъездными дорогами и подъездами; снос неиспользуемых в процессе строительства и не имеющих нормативных противопожарных разрывов строений; создание отвечающих противопожарным требованиям общеплощадочных складов и подсобных помещений; обеспечение надежных систем связи и сигнализации, освещения и ограждения стройплощадки.
На стройгенплане в составе ППР, кроме мест расположения постоянных и временных сооружений, должны указываться транспортные пути, сети водо- и электроснабжения, места размещения подъемных кранов, складских помещений, а также средств и устройств пожаротушения.
Ответственность за пожарную безопасность и выполнение противопожарных мероприятий при строительстве объектов несет ру
ководитель строительной организации, а ответственность за соблюдение противопожарных требований при разработке проектной документации возлагается на проектную организацию. На отдельных объектах и участках строительства ответственными за состояние пожарной безопасности являются начальники участков, смен, мастера и бригадиры, на которых возлагается эта ответственность приказом руководителя строительной организации.
Все вновь поступающие на работу в обязательном порядке должны получить инструктаж о мерах пожарной безопасности и действиях в случае возникновения пожара, а также о правилах использования первичных средств пожаротушения.
Дороги, проезды не должны загромождаться строительными материалами или оборудованием, а любое здание и сооружение не должно находиться от проезда дальше 25 м. Сгораемые строительные материалы и отходы необходимо ежедневно удалять в специально отведенные места, расположенные не ближе 50 м от складов лесоматериалов, горючих веществ, зданий и сооружений.
При производстве пожароопасных огневых работ (электродуговая и газовая сварка и резка, воздушно-дуговая резка, паяльные работы, варка битумов и смол, а также другие работы с применением открытого огня) должны соблюдаться требования Инструкции по организации и проведению пожароопасных работ, приведенной в Правилах безопасности при строительстве подземных сооружений [56].
Постоянные места проведения огневых работ оформляются актом с указанием в нем границ участка и необходимого количества первичных средств пожаротушения.
На проведение всех видов огневых работ оформляется единовременный наряд-допуск, выдаваемый на один вид работ в течение одной рабочей смены. Наряд-допуск на производство огневых работ в особо пожароопасных помещениях, а также в вертикальных и наклонных стволах с выходом на поверхность и закрепленных несгораемой крепью, но имеющих деревянную обшивку лестничного отделения, настилы или армировку из дерева, выдается только главным инженером или его заместителем и не более чем на одну смену. Приступать к огневым работам можно только после выполнения мероприятий, предусмотренных в наряде-допуске на их проведение.
При аварийных ситуациях огневые работы могут проводиться без оформления наряда-допуска по указанию начальника или механика участка или другого инженерно-технического работника в соответствии с приказом по организации.
Каждый случай пожара из-за нарушения правил пожарной безопасности при проведении огневых работ должен рассматриваться как чрезвычайное происшествие и быть тщательно расследован комиссией, по результатам работы которой должны быть разработаны мероприятия по их недопущению в дальнейшем.
21,2, Меры по предупреждению и ликвидации аварий
Общие сведения. Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует о том, что как эксплуатируемые, так и строящиеся подземные объекты на транспортных магистралях, в том числе линиях метрополитенов, являются зонами повышенного риска и в случае возникновения аварийной ситуации представляют серьезную опасность для находящихся в них людей. Аварии в тоннелях происходят чаще, а последствия их намного тяжелее, чем в других отраслях строительства: травматизм и гибель людей, длительное прекращение эксплуатации или удлинение сроков строительства, большой экономический ущерб.
Наиболее характерные и относительно часто происходящие при строительстве тоннелей аварийные ситуации—это обрушение грунта в забое с разрушениями и деформациями крепи; затопление выработок подземными водами, загазованность тоннельной атмосферы, подземные пожары и взрывы; аварийные ситуации, связанные с внезапной поломкой горнопроходческого оборудования, столкновением или сходом с рельсов транспортных средств, повреждением временных инженерных коммуникаций и оборудования.
Анализ известных аварийных ситуаций, имевших место на строительстве метрополитенов, тоннелей и других подземных сооружений, свидетельствует, что максимальное количество (свыше 40 %) вызвано пожарами и загоранием, около 30 % случаев связано с прорывами воды, плывунов и текучих обводненных грунтов и 17 % — с обрушением. Кроме того, около 12 % аварийных ситуаций явились следствием загазованности выработок. В ликвидации подавляющего большинства аварий принимали участие горноспасатель
ные подразделения. Около 10 % всех несчастных случаев со смертельным исходом на строительстве метрополитенов и тоннелей произошли в результате обрушения при производстве горных и взрывных работ. Аналогичное положение прослеживается и при изучении опыта зарубежного тоннелестроения.
Основными причинами аварий являются, как правило, ошибки в работе изыскателей, проектировщиков, строителей и эксплуатационников, связанные с неправильным или недостаточным учетом геотехнических и техногенных факторов, принятием неадекватных проектных решений, нарушением технологии тоннелестроительных работ, режима эксплуатации тоннелей. Причинами аварий могут быть также особые воздействия на тоннельные сооружения (землетрясения, оползни, обвалы), военные действия и диверсии.
Меры предупреждения аварийных ситуаций в тоннелестроении в значительной степени определяются видом возможной аварии, инженерно-геологическими условиями, способом и технологией проходки.
Организация спасательных и восстановительных работ при пожарах в подземных выработках. Несмотря на то, что возгорания и пожары в тоннелях значительно более редки, чем в наземных сооружениях, последствия обычно более трагичны, что связано с сопутствующими условиями их распространения и высокой концентрацией людей в ограниченном пространстве. Пожары в подземных сооружениях характеризуются быстрым развитием, высокой температурой (до 1500 °C) и давлением (до 1 МПа), плотным задымлением и могут принимать длительный характер (до нескольких суток).
При возникновении пожара людям угрожают не только высокая температура и задымление, но и образующиеся, а также проникающие в выработку из грунтового массива токсические и взрывоопасные газы. Углекислый газ, оксид углерода, метан, сернистый газ, сероводород и другие могут оказаться опасными, если люди не успевают выйти на свежую вентиляционную струю. Известно, что при содержании оксида углерода 0,2 мл/л через 2—3 ч человек начинает ощущать головную боль, а при концентрации 1,6 мл/л происходит потеря сознания и возникает угроза смерти через 30 мин.
При пожаре в подземной выработке резко снижается огнестойкость строительных конструкций, которые могут быть разрушены
в течение нескольких минут. В случае обрушения несущих конструкций ущерб от пожара достигает максимального значения. В ходе изучения закономерностей распространения газов по выработкам установлено существование опасных зон, наличие источника воспламенения в которых может вызвать не только первичный, но и повторный взрыв метановоздушной или другой взрывоопасной смеси без дополнительного поступления газов в эту зону.
Подземные пожары чрезвычайно опасны в связи с трудностью проникновения к очагу и подачи достаточного количества огнетушащих веществ, ограничением обзора и видимости, сложностью организации быстрой эвакуации людей.
Объектами пожара являются деревянные элементы крепи, горючие жидкости (нефтепродукты), оболочка кабелей электрооборудования, взрывчатые материалы, горючие и взрывоопасные газы и пр. Горящая древесина опасна не только тем, что выделяет большое количество оксида углерода, углекислоты и дыма. При достаточном количестве воздуха она быстро вызывает резкое нарастание температуры в районе пожара. По деревянной крепи пожары быстро распространяются в направлении движения вентиляционной струи на сотни метров. При наличии поддува свежего воздуха древесина горит при любой степени влажности и способна поджигать другие горючие материалы. Электрооборудование и кабель являются одними из наиболее распространенных объектов пожара в связи с частым возникновением токов короткого замыкания (50—60 % пожаров) и неисправностей электрооборудования (18—20 %).
В эксплуатируемых тоннелях пожароопасность возникает при утечках нефти и нефтепродуктов с подвижного состава в железнодорожных тоннелях и при дорожно-транспортных происшествиях с разливом топлива в автодорожных тоннелях. При горении жидкостей образуется большое количество затрудняющих дыхание продуктов (оксид углерода, углекислый газ и др.).
По месту возникновения при строительстве тоннелей различают пожары в подземных выработках, шахтных стволах и поверхностных технологических комплексах.
Подземные пожары могут быть локальными, т.е. ограниченными одной выработкой, и распространившимися по сети выработок.
При широко распространившихся пожарах в выработках сгорает все, что способно гореть.
Тушение пожара, в соответствии со ст. 22 Федерального закона РФ «О пожарной безопасности» № 69-ФЗ от 21.12.1994 г., представляет собой боевые действия, направленные на спасение людей, имущества и ликвидацию пожара. Любое лицо, первым обнаружившее источник пожара в подземной выработке, обязано немедленно сообщить об аварии работнику технического надзора (мастеру, механику, начальнику участка и т.п.) или руководителю организации, при возможности — принять меры к устранению источника пожара в начальной стадии.
Первым и важнейшим мероприятием при возникновении пожара является срочная эвакуация людей. При этом система вентиляции должна работать в аварийном режиме дымоудаления из очага пожара и создания притока свежего воздуха на путях эвакуации (навстречу движению людей).
Люди, находящиеся в выработках, получив сообщение об аварии, обязаны взять самоспасатели, при необходимости — включиться в них, и выходить на поверхность по маршрутам, предусмотренным планом ликвидации аварий.
Спасательные работы при пожарах могут быть локальными, когда люди застигнуты на отдельных участках и для их спасения в распоряжении руководителя работ по ликвидации аварии имеется достаточно людей и средств, и глобальными, когда всем людям, работающим в выработках, угрожает пожар, а людей-спасателей и спасательных средств не хватает.
Ликвидацию пожаров в подземных выработках проводят непосредственным тушением, изоляцией зоны горения и подтоплением выработки водой. Второй и третий методы применяют при недостаточной эффективности непосредственного тушения.
Для непосредственного тушения пожара применяют средства водяного, пенного и порошкового пожаротушения.
К мерам по ликвидации последствий загазованности воздуха, пожаров и взрывов относят: усиленную вентиляцию для удаления газов и дыма из забоя; затопление забоя водой при сильном пожаре; прекращение подачи в забой сжатого воздуха (при кессонной проходке); ремонт или восстановление разрушенных конст
рукций крепи, горнопроходческого оборудования и инженерных коммуникаций.
По окончании тушения пожара необходимо тщательно проветрить тоннель в режиме аварийной вентиляции (дымоудаление) для снижения концентрации вредных веществ ниже ПДК. Затем следует определить объем ущерба и потребность в материалах для восстановительных работ.
Обеспечение жизнедеятельности в случаях обрушения грунта и при прорыве водогрунтовых масс внутрь тоннеля. В случае возникновения аварийной ситуации, связанной с обрушением выработки, необходимо прежде всего организовать жизнеобеспечение пострадавших, а также, по возможности, принять меры по созданию нескольких путей эвакуации людей с мест ведения работ.
Эффективность спасательных работ увеличивается с количеством выработок. Однако запрещается располагать спасательные выработки сближенными, так как это может явиться причиной нового обрушения в зоне пребывания пострадавших и ведения горноспасательных работ.
Для обеспечения безопасности освобождаемых из зоны обрушения людей, а также персонала, ведущего спасательные работы, должны приниматься меры, предотвращающие распространение обрушения (установка временной крепи, оборка нависающих глыб грунта и др.).
Прорывы при строительстве тоннелей воды, часто с песком и обломочным материалом, а также плывунных грунтов (водогрунтовых масс) являются одним из самых опасных происшествий в тоннелестроении. Водогрунтовая масса имеет обычно отношение частиц ила либо глинистого грунта к воде в диапазоне 1:5—1:10, при котором характеристики водогрунтового потока мало отличаются от водного.
Прорывы водогрунтовых масс вызывают частичное (подтопление) или полное (затопление) заполнение выработанного пространства. Одновременно изменяется естественный режим подземных вод и, как следствие, нарушается устойчивость грунтового массива и происходит его обрушение. Вместе с водой могут проникать вредные газы, делающие подземную атмосферу непригодной для дыхания. Поэтому прорывы водогрунтовых масс в подземные выработки часто сопровождаются травмами и гибелью людей, разрушени
ем крепи, выводом из строя подземного оборудования, образованием участков заиливания выработки. Особенно большая угроза при прорывах создается людям, работающим в наклонных тупиковых выработках с обратным уклоном и в выработках нижележащих горизонтов.
Наиболее вероятными местами прорыва воды в выработки являются для горных тоннелей разломы и сбросы (тектонические нарушения грунтового массива), для подводных и городских тоннелей (в том числе метрополитена) — размывы (старые русла рек или техногенные подтопления). Разломы и размывы характеризуются сложением из крайне неустойчивых, обычно обводненных грунтов (мелкозернистые пески, пылеватые супеси плывунного характера, пылеватые суглинки, продукты разрушенных скальных грунтов и др.).
Прорыв водогрунтовых масс происходит внезапно и бурно. Поэтому важно всегда иметь надежные средства борьбы с притоком воды, обеспечивающие жизнедеятельность, особенно в случаях проходки выработки под уклон. Применяемые способы борьбы с обводнением тоннелей, как правило, не приводят к полному осушению подземных выработок, они лишь снимают гидростатическое давление.
В целях жизнеобеспечения людей в прорывоопасных выработках требуется устройство системы защитных перегородок с герметически запирающимися затворами и пешеходных мостков на повышенном уровне.
Контрольные вопросы к главе 21
1. Что включает в себя понятие «система пожаровзрывобезопасности»?
2. Какие аварийные ситуации могут возникнуть при строительстве подземных сооружений?
3. Назовите основные меры предупреждения обрушения выработок.
4. Какие огнегасительные средства применяют для ликвидации пожара в подземной выработке?
5. Какие действия следует предпринять при возникновении аварийной ситуации, связанной с обрушением выработки?
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сложившиеся в настоящее время принципы организации и технологии работ при строительстве метрополитенов в целом не во всем отвечают современным требованиям и нуждаются в пересмотре и изменениях. Из большого многообразия проблем, требующих решения, можно выделить следующие.
Проектные решения станций метрополитена глубокого заложения, особенно колонного и пилонного типов, нетехнологичны в связи со слабой механизацией их строительства. В большей степени это вызвано тем, что незначительная длина (до 200 м) станционных выработок больших сечений (60 м2 и более) делает нерентабельным применение высокопроизводительных комплексов оборудования, предусматривающих механизацию всех технологических процессов. Эти комплексы имеют большую массу и требуют длительных сроков монтажа и демонтажа в предварительно сооруженных камерах. Эффективность применения таких комплексов достигается при длине тоннельных выработок не менее 1000 м.
Таким образом, сооружение станционных выработок в настоящее время остается очень трудоемким и ведется обычно со средними скоростями 15—20 м/мес и значительными затратами ручного труда.
В этой связи представляется целесообразным при проектировании линий метрополитенов учитывать в конструкциях станций не только создание максимального удобства для пассажиров, но и технологичность строительства за счет оптимизации проектных решений.
Возрастание объемов строительства линий метрополитенов мелкого заложения вызывает необходимость поиска новых передовых технологий возведения подземных сооружений как открытым, так и полузакрытым способом работ.
При традиционном открытом способе работ по-прежнему весьма актуальной остается задача выбора наиболее эффективного вида крепления стен котлованов, являющегося достаточно трудоемким и дорогостоящим технологическим процессом в общем комплексе строительства линий метрополитена.
При выборе способа крепления стен котлована необходимо прежде всего ответить на ряд вопросов: какая деформация допустима? какую площадь можно использовать под крепление? должно ли крепление предотвращать фильтрацию грунтовых вод только в период строительства или постоянно?
Отвечая на эти вопросы, следует иметь в виду, что при близком расположении на соседней территории зданий или чувствительных коммуникаций (канализация, газ, водопровод) всегда необходимо крепление с возможно малой деформацией, требующее минимальной площади.
На стадии проектирования при выборе метода крепления должны учитываться не только абсолютная стоимость самого крепления, но и влияние конструкции крепи на экономические показатели сооружения всего объекта в целом. В частности, свайно-балочное крепление с деревянной затяжкой может оказаться менее выгодным, чем «стена в грунте», входящая в конструкцию станции, когда отпадает потребность в дополнительном водопонижении.
Сравнение экономических показателей применения свайной стены и «стены в грунте» показывает, что свайная стена экономичнее при небольших объемах работ, тогда как на крупных стройках при большой длине ограждения выгоднее применять «стену в грунте» из-за более высокой производительности крепления.
Наряду с этим следует иметь в виду, что способ «стена в грунте» при всех его достоинствах является, тем не менее, специальным методом строительства и к тому же дорогостоящим. Поэтому в метростроении он должен применяться лишь в особо сложных условиях и при наличии соответствующего обоснования.
Можно предположить, что в условиях нарождающихся рыночных отношений экономическая заинтересованность будет стимулировать разработку и строительство сооружения метрополитена из монолитного железобетона. Тем более что их характер (станции, перегонные тоннели и др.), когда на большом протяжении сечение остается постоянным, благоприятствует использованию монолитного железобетона, возводимого с помощью механизированных передвижных опалубок.
Для достижения наибольшего эффекта предстоит продолжить работы по совершенствованию как самих монолитных конструк
ций подземных сооружений, так и различных типов опалубок, включая передвижные, переставные и др., а также по оснащению технической базы метростроения современным оборудованием для доставки, подачи и укладки бетона.
В связи с этим целесообразно рассмотреть вопрос об использовании небольших передвижных или стационарных быстромонти-руемых заводов по приготовлению товарного бетона непосредственно на строительной площадке. Их преимущества настолько очевидны, что невольно возникает вопрос: почему до настоящего времени они не получили широкого внедрения в метростроении?
Освоение новых технологий сооружения перекрытий станций метрополитена из монолитного железобетона расширяет возможности выбора и тем самым способствует повышению эффективности строительства.
До настоящего времени не получили должного распространения в практике отечественного метростроения такие эффективные технологии как надвижка и продавливание тоннельных конструкций, струйная технология устройства противофильтрационных и несущих конструкций в грунте, строительство подземных сооружений полузакрытым способом работ и др.
В частности, грузонесущие платформы на воздушной подушке могут использоваться не только для надвижки тоннельных конструкций, но и для перемещения тяжелого оборудования. Таким способом можно перемещать щитовые агрегаты и тоннелепроходческие машины в монтажных котлованах и камерах, а также технологические комплексы за щитом и пр.
Опыт строительства метрополитенов показал надежность и безопасность полузакрытого способа. Основные горнопроходческие работы ведутся закрытым способом под защитой перекрытия с высокой степенью жесткости и несущей способности как в продольном, так и в поперечном направлениях. При этом обеспечивается быстрое восстановление движения транспорта над строящимся тоннелем; сводятся к минимуму перекладка подземных коммуникаций, нарушение грунтового массива и поверхности земли, уровень шума и вибрации; сокращаются сроки производства работ.
Несмотря на некоторые недостатки, полузакрытый способ может составить конкуренцию традиционным — открытому и закры
тому, особенно в крупнопролетных выработках мелкого заложения в слабоустойчивых грунтах.
Подводя итог, можно отметить, что для успешной реализации программы перспективного строительства метрополитенов в нашей стране наряду с совершенствованием существующих методов необходима научная разработка принципиально новых направлений, обеспечивающих качественные сдвиги в отрасли. Необходимо полностью механизировать и автоматизировать подземные работы, резко увеличив производительность труда, чтобы с минимальными затратами достигнуть высоких технико-экономических показателей строительства.
Важно также изучить и использовать в метростроении результаты исследований смежных областей знаний. К перспективным проблемам метростроения поискового характера следует отнести: исследование возможности сооружения метрополитенов в определенных инженерно-геологических условиях без возведения несущих конструкций обделок, путем проведения стабилизации окружающих выработку грунтов средствами обжима и химического укрепления. Технико-экономическое значение сооружения тоннелей без искусственной обделки трудно переоценить.
Важно исследовать проблему создания обделок из плавленых горных пород. Такие конструкции будут обладать надежностью, долговечностью, высокой водонепроницаемостью и кислотоупорностью. Решение проблемы даст возможность заменить дефицитную чугунную обделку, применяемую в сложных гидрогеологических условиях, в частности, в водоносных грунтах под большим гидростатическим давлением в агрессивной среде.
Следует отказаться от сдерживающей темпы организации щитовой проходки по трассе отдельных отрезков перегонных тоннелей, ограниченных смежными станциями метрополитена, и разработать систему непрерывно-сквозной проходки механизированными щитовыми комплексами участков по 5—10 км через выработки одновременно сооружаемых подземных станций. Это позволит обходиться без промежуточных монтажных и демонтажных щитовых камер, более рационально использовать щитовые комплексы и повысить скорости проходки в устойчивых породах в среднем от 500 до 1000 м в месяц.
ЛИТЕРАТУРА
1. Абрамсон В. М., Закиров А.З., Муравин Г,И. Автодорожный тоннель на трассе Краснопресненского проспекта от МКАД до Проспекта Маршала Жукова И Метро и тоннели. — 2003. — № 3. — С. 22—25.
2. Абрамсон В.М. О новых видах скоростного внеуличного транспорта и современных тенденциях развития станционных комплексов И Метроинвест. — 2003. — № 5—6. — С. 10—14.
3. А брамсон В. М. Конструкция крепи ствола из монолитного железобетона и варианты технологии погружения крепи в тиксотропной рубашке И Метро. — 1993. — № 4. — С. 15—17.
4. Бочаров СВ. НАТМ. Опыт применения в Москве И Метро и тоннели. — 2003. — № 5. — С. 24—26.
5. Ваганов В.И., Меркин В.Е., Антонов О.Ю. Новая конструкция перегонных тоннелей И Метро и тоннели. — 2004. — № 2. — С. 3.
6. Веселовский В. Н., Зиганшин С. У., Ляхов С.В., КрасноборовА.А. Новая станция Екатеринбургского метрополитена И Метро и тоннели. — 2003. — № 1. — С. 24—26.
7. Владимирский СР., Еремеев Г.М., Миленин В. А., Смирнов В.Н. Организация, планирование и управление в моего- и тоннелестроении: Учебник для вузов / Под ред. С.Р. Владимирского. — М.: Маршрут, 2002.
8. ВСН 104-93. Нормы по проектированию и устройству гидроизоляции тоннелей метрополитенов, сооружаемых открытым способом. — М.: ГК «Трансстрой», 1993.
9. ВСН 126-90. Крепление выработок набрызгбетоном и анкерами при строительстве транспортных сооружений метрополитенов. — М.: ВПТИТрансстрой, 1990.
10. ВСН 127-91. Нормы по проектированию и производству работ по искусственному понижению уровня грунтовых вод при сооружении тоннелей и метрополитенов. — М.: ГК «Трансстрой», 1991.
11. ВСН 130-92. Правила производства и приемки работ по герметизации стыков и отверстий сборной тоннельной обделки при закрытом способе строительства. — М.: ГК «Трансстрой», 1993.
12. ВСН 132-92. Правила производства и приемки работ по нагнетанию раствора за тоннельную обделку. — М.: ГК «Трансстрой», 1993.
13. ВСН 189-78. Инструкция по проектированию и производству работ по искусственному замораживанию грунтов при строительстве метрополитенов и тоннелей. — М.: Минтрансстрой, ЦНИИС, 1978.
14. Гей Б.А. О развитии буровзрывной технологии проходки стволов в СССР// Шахтное строительство. — 1991. — № 3. — С. 17—19.
15. Главатских В.А. Технология строительства метрополитенов. 4.1. Развитие метрополитенов в России. — Новосибирск: СТУПС, 2003; Ч. 2. Строительство станций метрополитена закрытым способом. — Новосибирск: СТУПС, 2004.
16. Главатских В.А. Сетевое планирование и управление в метро- и тоннелестроении. — Новосибирск: НИИЖТ, 1992.
17. Главатских В.А. Организация труда в метро- и тоннелестроении. — Новосибирск: НИИЖТ, 1989.
18. Главатских В.А., Поправка А.К., Цивулин В.И. Организация строительства и производства работ по сооружению станций метрополитена. Ч. 1. Станции метрополитена мелкого заложения. — Новосибирск, НИИЖТ, 1987; Ч. 2. Инженерная подготовка строительного производства. — Новосибирск: НИИЖТ, 1988.
19. Главатских В.А., Поправка А.К. Строительство подземных сооружений методом «стена в грунте». — Новосибирск: НИИЖТ, 1986.
20. Главатских В.А. Технико-экономическая оценка вариантных решений при проектировании тоннелей и метрополитенов. — Новосибирск: НИИЖТ, 1986.
21. ГолицынскийД.М., Маренный Я.И. Набрызгбетон в транспортном строительстве. — М.: Транспорт, 1993.
22. Городские подземные сооружения — опыт и возможности освоения подземного пространства на коммерческой основе / Тезисы докл. и сообщ. Междунар. научно-практич. конф. 10—13 марта 2004 г., ЦВЗ «Манеж». — М.: ТА Инжиниринг, 2004.
23. Давыдов В.В., Белоусов Ю.И. Химический способ укрепления горных пород. — М.: Недра, 1977.
24. Дозорец Ю.И. Екатеринбург: сооружение второго участка 1-й линии//Метро и тоннели. — 2004. — № 3. — С. 7—9.
25. Дорман Я. А. Искусственное замораживание грунтов при строительстве метрополитенов. — М.: Транспорт, 1971.
26. Дорман Я.А. Специальные способы работ при строительстве метрополитенов. — М.: Транспорт, 1981.
27. Елгаев С.Г. Строительство участка Арбатско-Покровской линии от станции «Киевская» до станции «Парк Победы» И Метро-инвест. — 2003. — № 5—6. — С. 25—30.
28. Ефремов В.П. Сооружение эскалаторных тоннелей способом «горизонтального забоя» И Метро и тоннели.—2002.—№ 3. — С. 39—41.
29. Жданов В.А. Особенности строительства Казанского метрополитена И Метро и тоннели. — 2004. — № 3. — С. 10—13.
30. Жубэ Ж.-П., Малый И.М. Применение высоконесущих грунтовых анкеров крепления котлована И Метро и тоннели. — 2003. — №4. —С. 24—27.
31. Зубцов Н.М., Зубцов Н.Н., Скоробогатов А.Д. Метротрам. Подземная линия скоростного трамвая И Метро и тоннели. —2003, №4. —С. 30—31.
32. Калиничев В.П. Метрополитены. — М.: Транспорт, 1988.
33. Клейн Г.К, Черкасов И.И. Фундаменты городских транспортных сооружений. — М.: Транспорт, 1985.
34. Клинов С.И. Железнодорожный путь на искусственных сооружениях. — М.: Транспорт, 1989.
35. Клутс Л.Я., Успенский Ю.И., Сугробов Н.П. Охрана труда на строительной площадке. — Киев, Буд1вельник, 1988.
36. Кубарев В.И., Белянский М.В. Строительство первой очереди мини-метро И Метро и тоннели. — 2002. — № 5. — С.8—11.
37. КулагинН.И., БезродныйК.П., ПокрываловМ.Л., МичуринА.Ю. «Размыв» — сооружение тоннелей и укладка верхнего строения пути И Метро и тоннели. — 2004. — № 3. — С. 14—16.
38. Левченко А.Н., Лернер В.Г., Петренко Е.В., Петренко И.Е. Организация освоения подземного пространства. Свершения и надежды / Под ред. Е.В. Петренко. — М.: ТИМР, 2002.
39. Лиманов Ю.А. Метрополитены. — М.: Транспорт, 1971.
40. Лихман С.Н., Олефир В.Е. Технология проходки перегонных тоннелей щитовым комплексом «WIRTH» И Метро и тоннели. — 2003.—№3. —С. 28—29.
41. Макаров О.Н., Меркин В.Е. Транспортные тоннели и метрополитены. Техника и технология строительства: состояние и перспективы. — М.: ТИМР, 1991.
42. Маковский Л. В. Повышение устойчивости несущих ограждающих конструкций котлованов для подземных сооружений И Подземное пространство мира. — 2003. — № 5. — С. 28—32.
43. Маковский Л. В. Городские подземные транспортные сооружения. — М.: Стройиздат, 1985.
44. Маковский Л. В. Компенсационное нагнетание в городском подземном строительстве И Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. — 2001. — № 2—3. — С. 19—25.
45. Малевич Н.А. Горно-проходческие машины и комплексы: Учебник для вузов. — М.: Недра, 1980.
46. Малый И.М., Маслов П.А. Эффективная технология крепления при помощи анкерных свай «Титан» И Метро и тоннели. — 2004. — № 2. — С. 28—32.
47. Маренный Я.И. Тоннели с обделкой из монолитно-прессованного бетона. — М.: Транспорт, 1985.
48. Молодцов Г., Хихлуха Б. Целесообразность способа продавливания при сооружении станций мелкого заложения И Метрострой. — 1987. — № 3. — С. 9—11.
49. Мостков В.М., Дмитриев Н.В., Рахманинов Ю.П. Проектирование и строительство подземных сооружений больших сечений: Справочник. — М.: Недра, 1993.
50. Научное обоснование подземного строительства: Избранные труды ученых Московского государственного горного университета / Под ред. Б.А. Картозия. — М.: Изд-во АГН, 2001.
51. Новосибирское метро: История строительства. — Новосибирское книжное издательство, 2004.
52. Оганесов Г.И. Методика обоснования строительства метрополитена И Метро. — 1994. — № 4. — С. 4—8.
53. Основания, фундаменты и подземные сооружения: Справочник проектировщика / Под ред. Е.А. Сорочана. — М.: Стройиздат, 1985.
54. Павлов Г.С. Железнодорожные опоры с модифицированным рельсовым скреплением типа «Метро» для рельсов Р50 И Метро и тоннели. — 2003. — № 4. — С. 36—37.
55. Панкина С.Ф., Самохвалов Ю.М. Комплексное использование подземного пространства под площадью Гагарина в Москве И Метро и тоннели. — 2004. — № 2. — С. 22—25.
56. ПБ 03-428-02. Правила безопасности при строительстве подземных сооружений. — М.: Госгортехнадзор России, 2001.
57. ПБ 13-407-01. Единые правила безопасности при взрывных работах. — М.: Госгортехнадзор, 2001.
58. Пикуль В. С. Проекты подземных дорог старого Петербурга// Метро. — 1995. — № 6. — С. 11—15.
59. Пикуль В.С. Статистическая теория Балинского И Метро. — 1992.—№1. —С. 29—35.
60. Пневмопробойники / Под ред. В.В. Каменского. — Новосибирск: ИГД АН СССР, 1990.
61. Подземные сооружения, возводимые способом «стена в грунте» / Под ред. В.М. Зубкова. — Л.: Стройиздат, 1977.
62. Полищук В.И, Жуков Э.Н. Двадцатая станция Минского метрополитена И Метро и тоннели. — 2002. — № 4. — С. 28—31.
63. Пособие по оценке качества СМР при сооружении линий метрополитена. — М.: ЦНИИС, 1989.
64. Пособие по химическому закреплению инъекцией в промышленном и гражданском строительстве. — М.: Стройиздат, 1986.
65. Практическое пособие по составлению смет в строительстве на основе новой сметно-нормативной базы 2001 года / Под общ. ред. П.В. Горячкина. — М.: 2003.
66. Проходчик горных выработок: Справочник рабочего / Под ред. А.И. Петрова. — М.: Недра, 1991.
67. Пулико В.И., Зверлов С.С., Устинова А.И. О едином порядке предпроектной и проектной подготовки строительства И Метроин-вест. — 2003. — № 5—6. — С. 54—60.
68. Рехутин В., Бузило В., Иванова И. Пневмокрепи на строительстве Ленинградского метрополитена // Метрострой. — 1987. — №31. —С. 13—14.
69. Рекомендации по проектированию и возведению сборно-монолитных «стен в грунте» с листовой арматурой. — М.: МАДИ, 1998.
70. Рекомендации по производству работ при сооружении тоннелей и метрополитенов методом продавливания. — М.: ЦНИИС, 1988.
71. Рекомендации по технологии бестраншейной прокладки трубопроводов с применением микротоннелепроходческих комплексов. — М.: Корпорация «Трансстрой», 1998.
72. Рекомендации по технологии набрызгбетонной обделки одно- и двухпутных тоннелей. — М.: ЦНИИС, 1989.
73. РжаницынБ.А. Химическое закрепление грунтов в строительстве. — М.: Стройиздат, 1986.
74. Рудиков В. С., Бабаянц Г.М. Защита горных предприятий от подземных вод. — М.: Недра, 1986.
75. Руководство по применению грунтовых анкеров с использованием пневмопробойников при проектировании и строительстве Новосибирского метрополитена. — Новосибирск, СибЦНИИС, 1982.
76. Руководство по производству инъекционных работ при строительстве тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях. — М.: ЦНИИС, 1983.
77. Свайные работы: Справочник строителя / Под ред. М.И. Смо-родинова. — М.: Стройиздат, 1988.
78. СНиП 1.04.03-85*. Нормы продолжительности строительства и задела в строительстве предприятий, зданий и сооружений. — М.: Госстрой России, 1991.
79. СНиП 3.01.01-85*. Организация строительного производства. — М.: Госстрой России, 2000.
80. СНиП 3.03.01-87*. Несущие и ограждающие конструкции. — М.: Минстрой России, 1996.
81. СНиП 10-01-2003. Система нормативных документов в строительстве. Основные положения. — М.: Минстрой России, 2003.
82. СНиП 11-01-95. Инструкция о порядке разработки, согласования, утверждения и составе проектной документации на строительство предприятий, зданий и сооружений. — М.: Минстрой России, 1995.
83. СНиП 12-03-2001. Безопасность труда в строительстве. Ч. 1. Общие требования. — М.: Госстрой России, 2001.
84. СНиП 12-04-2002. Безопасность труда в строительстве. Ч. 2. Строительное производство. — М.: Госстрой России, 2002.
85. СНиП 21-01-97. Пожарная безопасность зданий и сооружений. — М.: Госстрой России, 1997.
86. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология и геофизика. — М.: Госстрой России, 2003.
87. СНиП 32-08 Метрополитены. — М.: Госстрой России, 2003.
88. СНиП Ш-44-77*. Тоннели железнодорожные, автодорожные и гидротехнические. Метрополитены. — М.: Госстрой СССР, 1977.
89. Сооружение перегонных тоннелей на переходном участке Люблинской линии Московского метрополитена с применением щитового комплекса фирмы «Вайсс унд Фрейтаг» (ФРГ). Временные технические указания. — М.: Минтрансстрой, ЦНИИС, 1989.
90. СП 12-135-2003. Безопасность труда в строительстве. Отраслевые типовые инструкции по охране труда. — М.: Госстрой России, 2003.
91. СП 12-136-2002. Решения по охране труда и промышленной безопасности в проектах организации строительства и проектах производства работ. — М.: Госстрой России, 2002.
92. СП 32-108. Метрополитены. Инженерные изыскания, проектирование, строительство, приемка в эксплуатацию. — М.: Госстрой России, 2003.
93. Справочник инженера-тоннельщика / Под ред. В.Е. Мер-кина, С.Н. Власова, О.Н. Макарова. — М.: Транспорт, 1993.
94. СТП 011-2000. Гидроизоляция сборных обделок тоннелей закрытого и открытого способов работ с применением материалов «Монофлекс А» и «Монофлекс Е». — М.: Корпорация «Трансстрой», 2000.
95. СТП 013-2001. Нагельное крепление котлованов и откосов в транспортном строительстве. — М.: Корпорация «Трансстрой», 2001.
96. СТП 014-2001. Конструкция и технология сооружения траншейных «стен в грунте» для объектов транспортного строительства. — М.: Корпорация «Трансстрой», 2001.
97. Стрелков М., Полосин А., Сосунов Б. Строительство станции «Тимирязевская» И Метрострой. — 1988. — № 4. — С. 3—4.
98. Строительство подземных сооружений: Справочное пособие / Шуплик М.Н. и др. — Недра, 1981.
99. Строительство подземных сооружений / Под ред. Н.Н. Смирнова. — М. «ТИМР», 1990.
100. Строительство стволов шахт и рудников: Справочник / Под ред. О.С. Докукина и Н.С. Болотских. — М.: Недра, 1991.
101. Строительство тоннелей и метрополитенов: Учебник для техникумов / Под ред. Д.М. Голицынского. — М.: Транспорт, 1989.
102. Технологическая карта. Сооружение конструкций станций метрополитена методом «стена в грунте». — М.: ВПТИтрансстрой, 1986.
103. Технология строительства подземных сооружений: Учебник для вузов в трех частях. 4.1. Строительство вертикальных выработок. — М.: Недра, 1983; Ч. 2. Строительство горизонтальных и наклонных выработок. — М.: Недра, 1992; Ч. 3. Специальные способы строительства. — М.: Недра, 1992.
104. Тимофеев О.В. Эффективные варианты транспортной связи станций метро глубокого заложения с поверхностью земли И Метро и тоннели. — 2003. — № 2. — С. 22—24.
105. Тоннели и метрополитены: Учебник для вузов / Под ред. В.Г. Храпова. — М.: Транспорт, 1989.
106. Тру пак Н. Г. Замораживание грунтов при строительстве подземных сооружений. — М.: Недра, 1979.
107. Туренский Н.Г., Ледяее А.П. Строительство тоннелей и метрополитенов. Организация, планирование, управление: Учебник для вузов / Под ред. Н.Г. Туренского. — М.: Транспорт, 1992.
108. ТЭО строительства переходного участка Строгинской линии Московского метрополитена от станции «Минская» до станции «Славянский бульвар». — М.: Метрогипротранс, 1996.
109. Уплотнение грунтов обратных засыпок в стесненных условиях строительства. — М.: Стройиздат, 1979.
ПО. Филонов Ю.А., Иванов В.Г,, Свитин В.В. Современная технология строительства станций метрополитена в Санкт-Петербур-ге//Метро. — 1999. — № 2—3. — С. 21—25.
111. Фролов Ю. С., Голицынский Д.М., Ледяее А.П. Метрополитены: Учебник для вузов / Под ред. Ю.С. Фролова. — М.: Желдор-издат, 2001.
112. Фролов Ю.С., Крук Ю.Е. Метрополитены на линиях мелкого заложения: Новая концепция строительства. — М.: ТИМР, 1994.
113. Хамзин С.К., Карасев А.К. Технология строительного производства. Курсовое и дипломное проектирование. — М.: Высшая школа, 1999.
114. Харев А.А. Рудничная вентиляция и борьба с подземными пожарами. — М.: Недра, 1978.
115. Чураков А.И. Производство специальных работ в гидротехническом строительстве. — М.: Стройиздат, 1976.
116. Шилин А.А., Зайцев М.В., Золотарев И.А., Ляпидевская О.Б. Гидроизоляция подземных и заглубленных сооружений при строительстве и ремонте: Учебное пособие / Под ред. А.А. Шилина. — М.: МГГУ, 2003.
117. Шилин А.А. Общие принципы гидроизоляции подземных и заглубленных сооружений И Метро и тоннели. — 2004. — № 2. — С. 26—29.
118. Ширай Г.Т., Щепетков А.П., Литинский Ю.В. Проходка шахтных стволов с применением опускных сооружений. — М.: Недра, 1984.
119. Шмерлинг В.А. Станция «Бульвар Дмитрия Донского» И Метро и тоннели. — 2002. — № 3. — С. 10—11.
120. Шталь Т.М., Теличенко В.И., Феклин В.И. Технология возведения подземной части зданий и сооружений. — М.: Стройиздат, 1990.
121. Шургая Т.Н. ТПМК «Ловат» на сооружении тоннелей мини-метро//Метро и тоннели. — 2003. — № 6. — С. 10—11.
122. Юркевич П.Б. Кого мы обманываем? И Подземное пространство мира. — 1995. — № 1. — С. 45—55.
123. Яцков Б., Богданов В., Казанский Ю. Технология монтажа станционных конструкций с применением манипуляторов И Метро. — 1992. — № 1. — С. 9—15.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение А
Краткие сведения о материалах и конструкциях, применяемых в метростроении
АЛ. Бетонные конструкции
Такие конструкции (р = 2200 кг/м3) применяют при малых эксцентриситетах cq в тех случаях, когда они удовлетворяют результатам проверок на прочность: а) при недопущении трещин — проверка идет с учетом сопротивления бетона растянутой зоны; б) если трещины допускаются — без учета сопротивления растянутой зоны; в) если ^о>О,9 у (где у — расстояние от центра тяжести до грани), то элемент рассматривают как изгибаемый. Если какая-либо проверка не проходит, переходят на железобетон.
В классе бетона по прочности на сжатие от В3,5 до В60 число обозначает гарантированную прочность бетона в МПа.
Класс В10 В12,5 В15 В20 В25 ВЗО В35 В40 В50 В55 В60
Марка М100 М150 М200 М250 М300 М400 М450 М500 М600 М700 М800
Марки бетона по морозостойкости F(F15...F500) и по водонепроницаемости W( W2... ИТ2) принимаются в зависимости от расчетных температур наружного воздуха и обводненности тоннельных конструкций.
А.2. Железобетонные конструкции
Такие конструкции применяют, если они работают на внецент-ренное сжатие (кроме плоских перекрытий, ригелей, иногда стен).
Для монолитных железобетонных конструкций, как правило, применяют несимметричное армирование, для сборных — симметричное в соответствии с рекомендациями табл. А.1.
Коэффициент ц армирования железобетонных конструкций
Глубина заложения Монолитные конструкции Сечение сборных конструкций
Хм, % а' S As Сплошное Ребристое
Мелкое заложение и глубокое при своде давления 0,5 0,1 0,4 1,0 1,0
Средний столб 1,0 0,3 0,7 1,5 з,о
Глубокий столб 1,5 0,5 1,0 2,0 3,0...4,0
Диаметр арматуры следует принимать не более 40 мм (лучше 32—36 мм) в растянутой зоне и 12—20 мм — в сжатой. При этом во всех случаях защитный слой бетона должен быть больше диаметра стержня.
Для монолитных железобетонных конструкций обычно применяют бетон класса В15...В20, для сборных — В30...В50 (табл. А.2).
А.З. Обделки из чугуна
В качестве материала для обделок из чугунных тюбингов применяют серые чугуны марок СЧ 15, СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30, СЧ 35, СЧ 50, обладающие высокой противокоррозийной устойчивостью (р = 7200 кг/м3). Модуль продольной упругости чугуна марки СЧ Е - 0,83-105 МПа, коэффициент Пуассона v = 0,3.
При строительстве метрополитена в Челябинске в ноябре 2003 г. на перегоне «Торговый центр»—«Площадь Революции» установлены кольца новой облегченной обделки повышенной прочности из чугуна марки СЧ 30, тюбинги которой отлиты на Новосибирском заводе «Сиблитмаш» [5].
Благодаря существующему снижению массы чугуна (около 1,5 т на 1 м тоннеля по сравнению даже с облегченным вариантом серийной обделки, отливаемой в Магнитогорске: 3985 кг вместо 5474 кг) стоимость конструкции удалось снизить более чем на 10 %. Наряду с этим новая обделка по своим качествам находится на уровне лучших мировых образцов, а по некоторым показателям (экономич-
666
Классификация сборных железобетонных изделий для метростроения
Группы изделий Виды изделий Класс (марка) бетона по прочности на сжатие Марка бетона по водонепроницаемости Марка бетона по морозостойкости Категория качества поверхностей по ГОСТ 13015.0-83
не ниже наружных внутренних не отделываемых внутренних отделываемых стыковых
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Внутренние конструкции сооружений метрополитена Плиты перекрытий, балки, прогоны, перегородки, опоры, колонны, лестницы В15 (М200) W4 ЛОО А6 А6 А4 А4
Обделки открытого способа работ сборные Плиты перекрытий, прогоны, стеновые блоки, колонны, лотковые плиты, фундаменты В25 (М300) W6 ЛОО А6 А6 А4 А4
То же Цельные секции перегонных тоннелей и пешеходных переходов В25 (М300) W6 ЛОО А6 А6 А4 А4
Продолжение табл. А.1
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Обделки закрытого способа работ (гидростатическое давление до 0,15 МПа) Криволинейные блоки и тюбинги ВЗО (М400) FF8 — АЗ...А6 А6 А4 А2...А4
Высокоточные обделки закрытого способа работ (гидростатическое давление более 0,15 МПа) То же, с гидроизолирующими прокладками в стыках В40 (М500) [В45] то [ИТ 2] [F200] АЗ...А5 А5 А4 А2
ность, универсальность, коэффициент использования несущей способности материала) превышает их.
А.4. Основные единицы измерения, применяемые в расчетах тоннельных конструкций
1 тс = 1-103 кгс = 1104Н = 10 кН = 0,01 МН
1 кгс = 10 Н = 0,01 кН = 110 5 МН
1тс/м2 = 1 103 кгс/м2 = 1-104 Н/м2 = 10 кН/м2 = 0,01 МН/м2 = = 0,1 кгс/см2 = 0,001 кгс/мм2 = 10 кПа = 0,01 МПа
1 кгс/см2 = 10 тс/м2 =100 кПа = 0,1 МПа
1 т/м3 = 1 103 кг/м3 = 1104 Н/м3 = 10 кН/м3 = 0,01 МН/м3 = = 110 6 т/см3 = 110 3 кг/см3 = 110 2 Н/см3 = 110 5 кН/см3 = = 110 8 МН/см3
1 кг/м3 = 110 6 кг/см3 = 10 Н/м3 = 0,01 кН/м3 = 110 5 МН/м3
1 кг/см3 = 10 Н/см3 = 0,01 кН/см3 = 110 5 МН/см3
Приложение Б Строительные машины, механизмы и оборудование
Технические характеристики основных строительных и горнопроходческих машин и оборудования приведены в «Справочнике инженера-тоннельщика» [93], в том числе:
• проходческие щиты типов Щ-15, СЩ-8,5 и СЩ-9,5 для станционных тоннелей;
• горные (бесщитовые) частично механизированные КМ-15Гп, КМ-36 и механизированные КПМ-21 комплексы;
• укладчики тоннельной обделки;
• средства малой механизации общестроительного назначения;
• технологические комплексы (нормокомплекты) средств малой механизации;
• специальные средства малой механизации для тоннельных работ.
Одним из основных видов транспортных средств при строительстве метро являются вагонетки, вместимость которых ограничивается грузоподъемностью клетей.
В настоящее время на строительстве метрополитенов закрытым способом стали применять шахтную грузолюдскую клеть
типа 1НВ 300-4 (вместо 1 НВ 300-2,7), исключающую несоответствие между возможностями подъема и грузонесущей способностью стволового оборудования. Грузоподъемность клети 4 т, внутренние размеры клети 3 х 1,15 х 1,9 м, высота с подвесным устройством 4,95 м, ширина колеи 600 мм.
Ввод клети в эксплуатацию позволил увеличить вместимость вагонеток для откатки горной массы с плотностью в разрыхленном состоянии 1,7 т/м3 до 2 м3 (вагонетки ВГМ-2.600) и для доставки материалов, обладающих подвижностью с плотностью 2,5 т/м3 — до 1,2 м3 (вагонетки ВОМ-1,2.600).
Технические характеристики вагонеток большой вместимости (рис. Б.1) приведены в табл. Б.1.
Рис. Б.1. Вагонетки большой вместимости для метрополитенов:
а вагонетка глухая ВГМ 2.600; б вагонетка с опрокидным кузовом ВОМ 1,2.600;/ корпус, 2 скат, 3 сцепка, 4 кузов; 5 балка; 6 буфер;
7 кронштейн; 8 рама; 9 механизм поворота; 10 опора
Технические характеристики вагонеток
Показатель Значение показателя
ВГМ 2.600 ВОМ 1,2.600
Вместимость кузова, м3 2 1,2
Грузоподъемность, кг 3600 3000
Наклон борта кузова при опрокидывании, рад 0,87
Ширина колеи, м 0,6 0,6
Жесткая база, м 0,65 0,65
Габариты, м: длина ширина высота 2,53 0,99 1,295 2,6 0,99 1,245
Масса, кг 680 780
Приложение В Знаете ли Вы, что...
... началом строительства первого в мире Лондонского метрополитена считается 1860 г. Однако факты свидетельствуют, что это не так. Еще в 1840 г. инженером Брюнеллем был проложен тоннель под р. Темза, который позже, в 1869 г. был включен в систему метрополитена...
... в 1963 г. англичане торжественно отметили столетие первого в мире метрополитена. В начале XX в. он имел протяженность линий 22 км и 30 станций. К 1914 г. соорудили 58 км тоннелей глубокого заложения и 61 станцию. К юбилейной дате протяженность трассы составила 360 км с 280 станциями...
... самым лучшим в мире по эксплуатационным показателям и архитектурной отделке является Московский метрополитен...
... самые первые правила пользования метрополитеном предупреждали пассажиров: «Проезд снаружи вагона грозит смертельной опасностью!»...
...самым необычным музеем транспорта можно назвать музей метрополитена в Будапеште, расположенный под землей на одном из участков метро, закрытого для движения...
... самым высокогорным, расположенным в Кордильерах на высоте 2279 м над уровнем моря, является метрополитен города Мехико...
... количество вагонов в поезде на линиях метрополитенов мира изменяется от двух до одиннадцати. Вместимость одного вагона колеблется от 93 до 280 чел. В Москве и Санкт-Петербурге линии рассчитаны на восьмивагонные поезда, а в остальных городах России — на пятивагонные...
... на некоторых станциях метрополитенов наряду с эскалаторами применяются лифтовые подъемники. На линиях Лондонского метро эксплуатируются около 100 пассажирских лифтов с высотой подъема от 16 до 60 м. Лифты используются также на метрополитенах США и Германии. Новые отечественные нормы проектирования и строительства метрополитенов предполагают оснащение вторых входов станций лифтовыми подъемниками, что уже начали делать в Москве и Санкт-Петербурге...
... на строительстве I очереди метрополитена в Москве работали 75 тыс. чел. и было построено 12 км тоннелей, на II очереди — 31 тыс. чел. сдали в эксплуатацию 15 км, а на IV очереди —15 тыс. чел. построили 20 км тоннелей...
... на I линии Московского метрополитена в 1935 г. в часы пик поезда шли с интервалом 4 мин., а в настоящее время он сократился до 1 мин 20 с. Для эксплуатации 1 км линий в 1935 г. требовалось 200 чел., сейчас — почти в два раза меньше...
... в Московском, Санкт-Петербургском, других метрополитенах России на станциях и перегонных тоннелях находятся автоматы телеметрического контроля за составом атмосферы. Данные о микроклимате незамедлительно передаются на диспетчерский пункт. В течение каждого часа воздух в метро обновляется три раза...
... в шести городах мира функционируют метрополитены с вагонами на пневматических шинах. Пневматические шины обеспечивают лучшее сцепление и низкий уровень шума, но при наличии снега или льда на путях они эксплуатироваться не могут. Поэтому пути размещают только в тоннелях...
... в Париже подвижной состав метрополитена имеет не только пневматические шины, наполненные азотом, но и «колеса безопасности» типа железнодорожных, которые включаются в работу в случае выхода газа из пневматических шин, а также при проходе стрелок и кривых...
... в Вене новые вагоны метрополитена пассажиры назвали «сауной на колесах»: в салонах жарко, как в бане, вследствие поступле
ния тепла от нагревающихся тормозных колодок, а действующая система вентиляция оказалась недостаточной. В связи с этим тепло, выделяемое поездами, светильниками и пассажирами, планируется использовать для отопления зданий...
... в Праге при возведении открытым способом станции «Национальный музей» успешно применялся вертолет. С его помощью монтировали 12-метровые колонны перекрытия. Чешские строители и в дальнейшем планируют использовать вертолеты при сооружении метро...
... в сентябре 2003 г. из Санкт-Петербурга в Новосибирск на строительство метро двумя рейсами самолета АНТ-124 были доставлены 8 блоков тоннелепроходческого комплекса канадской фирмы «Ловат» общим весом 374 т. Для размещения в грузовом отсеке самолета оболочку самого крупного блока массой 79 т пришлось даже частично срезать, хотя в этом отсеке помещается до 40 автомобилей «Жигули». Остальные детали комплекса прибыли в Новосибирск в пяти 40-тонных железнодорожных контейнерах...
... в Будапеште при прокладке линии метро в сторону аэропорта перегонные тоннели пересекли грунты, представляющие большой интерес для геологов. Оказалось, что эти грунты имеют возраст более 30 млн лет и ранее слагали морское дно...
... в Риме трасса метрополитена между станциями «Фламиния» и «Лепанто» выходит на поверхность земли и по метромосту пересекает р. Тибр, где рельсовые пути уложены между двумя полосами автомобильной дороги. Трасса метрополитена отделена от них стеклянными пуленепробиваемыми перегородками в целях защиты пассажиров от террористов...
... первая линия метрополитена в Милане была открыта в 1964 г. Вначале при входе были установлены автоматы для пропуска пассажиров с картонными билетами, пропитанными специальной жидкостью. Однако из-за наличия какого-то дефекта автоматы срабатывали даже от кусочка картона размером с билет. При проверке автоматов обнаружили 50 тыс. таких карточек...
... в Нюрнберге станция «Лоренцкирхе» является своеобразными воротами, ведущими в старую часть города. Она украшена витринами с копиями картин из собрания Германского национального музея...
... в Ганновере между пересадочными станциями метрополитена сооружен пешеходный переход длиной около 700 м и шириной 20 м, в котором размещены магазины, кафе и рестораны...
... в Дюссельдорфе новая линия метрополитена мелкого заложения проходит в центре города под высотными зданиями. Чтобы исключить осадку фундаментов, под ними расположено несколько десятков мощных домкратов, с помощью которых производится корректировка положения зданий...
... «Парк Победы» — самая глубокая станция Московского метрополитена. Ее нижняя точка находится в 80 м от поверхности. На станции смонтированы эскалаторы индивидуального изготовления длиной 130 м (740 ступеней)...
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие..........................................3
Введение.............................................5
РАЗДЕЛ I. РАЗВИТИЕ МЕТРОСТРОЕНИЯ В РОССИИ
Глава 1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР..........................7
1.1. Становление и развитие метростроения в России.7
1.2. Виды метрополитенов и другого внеуличного городского пассажирского транспорта..........................24
1.3. Методики обоснования строительства метрополитена.39
1.4. Программа развития метрополитенов и других видов скоростного внеуличного пассажирского транспорта
в крупнейших городах России...........................43
Контрольные вопросы к главе 1.........................45
Глава 2. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
РЕШЕНИЯ ОСНОВНЫХ СООРУЖЕНИЙ И УСТРОЙСТВ МЕТРОПОЛИТЕНА.......................................47
2.1. Сооружения метрополитена.....................47
2.2. Путевые сооружения и устройства..............50
2.3. Устройства для межуровневого и горизонтального перемещения пассажиров............................53
2.4. Станционные комплексы метрополитена..........62
Контрольные вопросы к главе 2.....................85
Глава 3. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ В МЕТРОСТРОЕНИИ.....................................87
3.1. Особенности новых технологий строительства метрополитенов........................................87
3.2. Новоавстрийский метод строительства подземных сооружений........................................92
3.3. Строительство тоннелей с помощью механизированных щитов с активным пригрузом забоя..................97
3.4. Проходческие комбайны в метростроении........105
3.5. Нетрадиционные технологии разработки крепких скальных грунтов ..........................................117
Контрольные вопросы к главе 3.....................126
РАЗДЕЛ II. ОРГАНИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА МЕТРОПОЛИТЕНОВ
Глава 4. ИНЖЕНЕРНАЯ ПОДГОТОВКА
СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА.........................127
4.1. Сущность и основные положения организации строительного производства.......................127
4.2. Предпроектная и проектная подготовка объекта к строительству..................................131
4.3. Организация основных работ по строительству метрополитена....................................136
Контрольные вопросы к главе 4................... 143
Глава 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОРГАНИЗАЦИИ
И ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА........................ 144
5.1. Основные положения о проектировании метрополитенов. 144
5.2. Система нормативных документов в строительстве..... 155
5.3. Проектирование организации строительства и производства работ.............................164
5.4. Календарное планирование....................172
5.5. Проектирование стройгенплана................178
5.6. Проблемы финансирования строительства метрополитенов...................................186
Контрольные вопросы к главе 5................... 189
Глава 6. ОРГАНИЗАЦИЯ ТРУДА В МЕТРОСТРОЕНИИ................191
6.1. Основные направления развития и совершенствования организации труда в подземном строительстве......191
6.2. Управление качеством продукции..............203
Контрольные вопросы к главе 6....................216
РАЗДЕЛ III. СТРОИТЕЛЬСТВО ПЕРЕГОННЫХ ТОННЕЛЕЙ И СТАНЦИЙ МЕТРОПОЛИТЕНА ЗАКРЫТЫМ СПОСОБОМ
Глава 7. СТРОИТЕЛЬСТВО ПЕРЕГОННЫХ ТОННЕЛЕЙ................218
7.1. Основные положения организации и технологии строительства перегонных тоннелей.......................218
7.2. Выбор оптимального варианта строительства перегонных тоннелей в сложных условиях.............................223
7.3. Строительство перегонных тоннелей с обделкой из монолитно-прессованного бетона.......................230
7.4. Строительство тоннелей с помощью гидрощитов....232
7.5. Строительство тоннелей с помощью тоннелепроходческого комплекса фирмы «Ловат».............................238
7.6. Строительство тоннелей с помощью кессонированных щитов...............................................248
7.7. Строительство тоннелей в скальных грунтах щитовым комплексом фирмы «Вирт».............................250
Контрольные вопросы к главе 7.......................253
Глава 8. СТРОИТЕЛЬСТВО ТРЕХСВОДЧАТЫХ СТАНЦИЙ..........254
8.1. Общие положения................................254
8.2. Подготовительные работы........................256
8.3. Проходка станционных тоннелей..................259
8.4. Строительство станций пилонного типа...........271
8.5. Строительство станций колонного типа...........278
Контрольные вопросы к главе 8.......................288
Глава 9. СТРОИТЕЛЬСТВО ОДНОСВОДЧАТЫХ СТАНЦИЙ..........290
9.1. Строительство станций горным способом..........290
9.2. Строительство станций комбинированным способом.291
9.3. Общие рекомендации по строительству односводчатых станций.............................................302
Контрольные вопросы к главе 9.......................307
Глава 10. МОНТАЖ ВНУТРИТОННЕЛЬНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ И УСТРОЙСТВ...............................308
10.1. Общие положения...............................308
10.2. Монтаж внутритоннельных конструкций...........309
10.3. Устройство пути и контактного рельса..........318
Контрольные вопросы к главе 10......................322
РАЗДЕЛ IV. СТРОИТЕЛЬСТВО МЕТРОПОЛИТЕНОВ ОТКРЫТЫМ И ПОЛУЗАКРЫТЫМ СПОСОБАМИ
Глава 11. СТРОИТЕЛЬСТВО СТАНЦИЙ
МЕТРОПОЛИТЕНА ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ.......................323
11.1. Сущность и условия применения открытого способа работ.......................................323
11.2. Организационно-технологические схемы строительства станций в котлованах..................325
11.3. Новые технологии возведения перекрытий станций.337
11.4. Строительство станций в котлованах с применением способа «стена в грунте»..........................343
11.5. Надвижка тоннельных конструкций в котловане........367
11.6. Особенности строительства подземных сооружений метрополитена в слабых водоносных грунтах.........375
Контрольные вопросы к главе 11....................380
Глава 12. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ КРЕПЛЕНИЯ СТЕН КОТЛОВАНОВ...........................................381
12.1. Классификация методов.......................381
12.2. Крепление ограждающих конструкций с помощью анкеров...........................................388
12.3. Ограждающие стены из железобетонных и грунтоцементных свай............................401
12.4. Нагельное крепление стен котлованов.........406
12.5. Экранирующие анкерные сваи............412
12.6. Нетрадиционные виды ограждающих конструкций глубоких котлованов...............................415
Контрольные вопросы к главе 12....................426
Глава 13. СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПОЛУЗАКРЫТЫМ СПОСОБОМ................................427
13.1. Зарубежный опыт строительства...............427
13.2. Отечественный опыт проектирования и строительства станций с транзитной проходкой тоннелей...........441
Контрольные вопросы к главе 13....................446
РАЗДЕЛ V. СТРОИТЕЛЬСТВО ШАХТНЫХ СТВОЛОВ И ЭСКАЛАТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ
Глава 14. СТРОИТЕЛЬСТВО ШАХТНЫХ СТВОЛОВ..............447
14.1. Общие положения.............................447
14.2. Шахтные комплексы...........................451
14.3. Механизированные комплексы для проходки и возведения крепи стволов...............................460
14.4. Сооружение шахтных стволов погружением крепи в тиксотропной оболочке («рубашке»)......................465
14.5. Проходка стволов с применением шагающих комплексов.478
14.6. Современные технологические схемы сооружения шахтных стволов...................................489
Контрольные вопросы к главе 14....................493
Глава 15. СООРУЖЕНИЕ ЭСКАЛАТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ..............494
15.1. Нетрадиционные конструктивно-технологические решения эскалаторных тоннелей...................494
15.2. Организация и производство работ по сооружению эскалаторных тоннелей...........................504
Контрольные вопросы к главе 15................. 521
РАЗДЕЛ VI. СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ МЕТРОПОЛИТЕНА
Глава 16. УКРЕПЛЕНИЕ ГРУНТОВ......................522
16.1. Традиционные способы укрепления грунтов...522
16.2. Термическая обработка грунтов.............535
16.3. Струйная технология устройства противофильтрационных завес и несущих конструкций в грунте............537
16.4. Компенсационное нагнетание................550
Контрольные вопросы к главе 16..................556
Глава 17. СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ РАБОТ...............557
17.1. Строительство подземных сооружений под защитой опережающей крепи...............................557
17.2. Способ продавливания......................575
Контрольные вопросы к главе 17..................585
РАЗДЕЛ VII. ГИДРОИЗОЛЯЦИЯ СООРУЖЕНИЙ МЕТРОПОЛИТЕНА
Глава 18. ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ......................................586
18.1. Чеканочные и гидроизоляционные смеси и растворы.586
18.2. Пенополиуретаны в качестве герметиков.....591
18.3. Гидроизоляционные мастики и материалы.....595
18.4. Эластичные уплотнительные прокладки в стыках сборных обделок.................................598
18.5. Промежуточная гидроизоляция на основе полимерных пленок...............................603
18.6. Листовая полимерная защита гидроизоляции..605
Контрольные вопросы к главе 18..................606
Глава 19. ОСОБЕННОСТИ ГИДРОИЗОЛЯЦИИ ТОННЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ............................607
19.1. Гидроизоляция ограждающих и несущих конструкций открытого способа работ..............................607
19.2. Гидроизоляция тоннельных конструкций закрытого способа работ........................................615
19.3. Нормативы по гидроизоляции тоннельных конструкций..........................................621
Контрольные вопросы к главе 19.......................628
РАЗДЕЛ VIII. ОХРАНА ТРУДА И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ В МЕТРОСТРОЕНИИ
Глава 20. ОХРАНА ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ МЕТРОПОЛИТЕНОВ........................630
20.1. Система обеспечения безопасности в метростроении.630
20.2. Охрана труда и промышленная безопасность в ПОС и ППР..........................................632
20.3. Предупреждение несчастных случаев и профессиональных заболеваний..........................................633
20.4. Охрана окружающей природной среды..............636
Контрольные вопросы к главе 20.................................................... 640
Глава 21. ДЕЙСТВИЯ ПЕРСОНАЛА ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ
СИТУАЦИЯХ. ГОРНОСПАСАТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ.....................641
21.1. Пожаровзрывобезопасность объектов строительства..641
21.2. Меры по предупреждению и ликвидации аварий.....645
Контрольные вопросы к главе 21.......................650
Заключение...........................................651
Литература...........................................655
Приложения...........................................664
Учебное издание
Главатских Валентин Андреевич канд. техн, наук, доцент Молчанов Виктор Сергеевич канд. техн, наук, доцент
СТРОИТЕЛЬСТВО
МЕТРОПОЛИТЕНОВ
Учебное пособие для вузов железнодорожного транспорта
Редактор И. С. Гурова
Корректоры Т.С. Власкина, В. В. Бодров Компьютерная верстка ТВ. Демина
Изд. лиц. ИД № 04598 от 24.04.2001 г.
Подписано в печать 06.06.2006 г.
Формат 60 х 84 1/16. Усл. печ. л. 42,5 + 0,5 вкл. Тираж 3000 экз. Учебно методический центр по образованию на железнодорожном транспорте Издательство «Маршрут»
107078 Москва, Басманный пер., 6
ISBN 5-89035-364-0
и Отпечатано в ОАО «Московская типография № 2» 129085, Москва, пр. Мира, 105.
Тел.: (495) 682-24-91
785890
353641