Text
ТОННЕЛИ и МЕТРОПОЛИТЕНЫ
Владимир Павлович Волков Сергей Николаевич Наумов Антонина Николаевна Пирожкова Владимир Георгиевич Храпов
ТОННЕЛИ И МЕТРОПОЛИТЕНЫ
Редакторы Т.П. Соловьева, 3. А. Неклепаева Обложка художника А. А. Медведева Технический редактор Л. И. Широкогороеа Корректор А. Н. Конева Сдано в набор 25/Х 1974 г. Подписано к печати 21/IV 1975 г.
Бумага ТОхЮв1/»,. типографская № 2. Печатных листов 34,5 (усл. 48,3) Учетно-изд. листов 50,97 Тираж 6000 Т 07805 Изд. № 1-1-1/3 № 4885 Зак. тип. 1207 Цена 2 р. 10 к.
Изд-во «ТРАНСПОРТ». Москва, Басманный туп., 6а
Московская типография № 4 Союзполнграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли, г. Москва, 11-41, Б. Переяславская ул., дом 4G
ОТ АВТОРОВ
В соответствии с решениями XXIV съезда КПСС в нашей стране успешно осуществляются большие работы, направленные на дальнейшее развитие всех видов транспорта, повышение мощности и маневренности транспортной системы. Улучшается техническое оснащение транспорта, идет расширение и усиление сети путей сообщения, особенно в восточных районах страны, где, в частности, развернулось сооружение крупнейшей железнодорожной линии — Байкало-Амурской магистрали (БАМ).
В общем комплексе транспортных сооружений важное место занимают тоннели, играющие значительную роль в улучшении эксплуатационных показателей путей сообщения в горных районах и рациональном решении проблем городского транспорта.
На железных и автомобильных дорогах Советского Союза в ближайшие годы будет построен ряд крупных тоннельных сооружений, например на Байкало-Амурской магистрали, на перевальных участках Главного Кавказского хребта и в других районах.
При развитии пассажирского транспорта в крупных городах особое значение имеют метрополитены — внеуличные скоростные магистрали, обладающие наибольшей провозной способностью, требующие возведения специальных тоннельных сооружений.
В Советском Союзе метрополитены эксплуатируются и продолжают развиваться в Москве, Ленинграде, Киеве, Тбилиси и Баку, находятся в стадии сооружения в Харькове и Ташкенте и в стадии проектирования в Минске, Горьком, Новосибирске, Куйбышеве и Свердловске. Так, в следующем пятилетии протяжение сети Московского метрополитена составит 205 км, а число станций достигнет 125.
Широкое применение в нашей стране имеют значительные по протяжению и размерам поперечного сечения гидротехнические тоннели, предназначенные для перемещения больших объемов воды.
В хозяйстве крупных городов имеются коммунальные тонне-л и, при дальнейшем развитии строительства которых будут применяться глубоко расположенные магистральные коллекторы больших сечений.
Проектирование и строительство подземных сооружений в Советском Союзе ведутся на основе теоретических и экспериментальных работ отечественных и зарубежных ученых с применением комплексной механизации сложных и трудоемких производственных процессов, широким внедрением индустриальных конструкций, выполняемых преимущественно из сборного железобетона.
Советское тоннеле- и метростроение, базирующееся на современных достижениях науки и прогрессивных конструктивных решениях, а также механизированных методах производства работ, поднято на новую более высокую ступень и продолжает непрерывно совершенствоваться. В связи с этим необходима расширенная подготовка специалистов высокой квалификации, способных обеспечить дальнейший прогресс подземного транспортного строительства.
Второе, переработанное и дополненное издание учебника содержит в систематизированном виде необходимые сведения о современном состоянии 3
отечественной и зарубежной теории и практики сооружения тоннелей всех видов.
Расчленение учебника на пять разделов и их содержание соответствуют составу материала, изучаемого на отдельных семестрах студентами специализаций «Тоннели и метрополитены» и «Мосты». Для последних предназначены только I, II и III разделы учебника, используемые с некоторыми сокращениями согласно учебной программе.
В IV и V разделах, изучаемых только студентами специализации «Тоннели и метрополитены», рассмотрены вопросы проектирования, оборудования и строительства метрополитенов и приведены основные сведения о гидротехнических и коммунальных тоннелях.
Вопросы организации и планирования тоннельного строительства выделены в самостоятельную дисциплину и будут рассмотрены в специальном учебнике.
Учебник написан коллективом авторов — сотрудников кафедры «Тоннели и метрополитены» Московского института инженеров железнодорожного транспорта.
Авторы выражают благодарность рецензентам: коллективу кафедры «Тоннели и метрополитены» Ленинградского института инженеров железнодорожного транспорта во главе с проф. Ю. А. Лимановым и коллективу сотрудников Метрогипротранса под руководством главного инженера института В. А. Алихашкина.
РАЗДЕЛ I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТОННЕЛЯХ
Глава 1
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТОННЕЛЕЙ И КРАТКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ ТОННЕЛЕСТРОЕНИЯ
§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТОННЕЛЕЙ
Тоннелем называют горизонтальное или наклонное подземное искусственное сооружение, предназначенное для транспорта, пропуска воды, размещения коммуникаций и других целей, длина которого обычно значительно превышает поперечные размеры.
В настоящее время тоннели имеют широкое распространение во всех отраслях народного хозяйства. Они могут быть классифицированы по назначению и положению относительно земной поверхности. По назначению тоннели делят на пять основных групп: 1 — тоннели на путях сообщения; 2 — тоннели гидротехнические; 3 — тоннели коммунальные; 4 — тоннели горнопромышленные и 5 — тоннели специальные.
Наибольшее распространение имеют тоннели на путях сообщения, к которым относят тоннели метрополитенов, железнодорожные, автодорожные, судоходные и пешеходные тоннели, а также тоннели для нескольких видов транспорта.
К гидротехническим тоннелям, предназначенным для перемещения больших объемов воды, относят тоннели гидроэлектростанций, подводящие воду к турбинам и отводящие ее после использования, тоннели водоснабжения, подающие воду для населенных пунктов (иногда на расстояние в десятки километров), тоннели, используемые для улучшения земель (ирригационные и мелиоративные).
Упомянутые выше судоходные тоннели являются транспортно-гидротехническими, так как их сечение частично заполнено водой.
Коммунальные тоннели являются существенным элементом хозяйства современного города. Это подземные водостоки, к которым относятся целые реки, заключенные в трубы, водопроводные и канализационные тоннели, а также коллекторы, служащие для размещения подземных городских сетей (силовых и телефонных кабелей, газопроводов, водопроводных магистралей и т. п.). В перспективе — это тоннели-каналы глубокого заложения.
Горнопромышленные тоннели обслуживают предприятия, добывающие полезные ископаемые.
К тоннелям специального назначения относят подземные оборонные сооружения, а также подземные электростанции, гаражи и т. п.
По положению относительно рельефа местности тоннели можно разделить на горные, подводные и равнинные. К последним относят в основном тоннели, сооружаемые в городах (например, метрополитены, переходы на перекрестках, подземные гаражи и т. п.).
Глубина заложения тоннеля в значительной степени влияет на его конструкцию и способы постройки. Различают тоннели, сооружаемые со вскрытием
поверхности или без вскрытия ее, т. е. сооружаемые открытым или закрытым способом.
Основной целью настоящего курса является изучение тоннелей на путях сообщения (железнодорожных, автодорожных и метрополитенов).
Краткие сведения о судоходных, гидротехнических и коммунальных тоннелях приведены в разделе V.
§ 2. ТОННЕЛИ КАК СРЕДСТВО ПРЕОДОЛЕНИЯ ПРЕПЯТСТВИИ ПРИ ТРАССИРОВАНИИ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Тоннель является эффективным средством расширения возможностей трассирования пути сообщения в трудных условиях, позволяющим преодолеть препятствие вместо его обхода.
Препятствия делят на высотные и контурные.
Квысотным препятствиям относят холмы, хребты и водоразделы. При трассировании железной или автомобильной дороги возможны три решения: обход высотного препятствия, развитие линии с подъемом на перевал и устройством глубокой выемки и, наконец, сооружение тоннеля, соединяющего склоны высотного препятствия (рис. 1).
При обходе препятствия’имеет место значительное удлинение линии и увеличение уклонов, которое в случае железной дороги может потребовать на отдельных участках применения кратной тяги, а также вызвать ухудшение эксплуатационных показателей пути сообщения.
При развитии линии с открытым пересечением перевала ее длина получается меньшей, чем в первом случае, но потребность в применении больших уклонов возрастает; возникает необходимость в защите высоко расположенных участков линии от снежных’заносов, лавин и обвалов путем устройства галерей и других инженерных сооружений.
Пересечение высотного препятствия при помощи тоннеля значительно сокращает длину линии и позволяет уменьшить уклоны, вследствие чего создается возможность увеличения весовых норм и скоростей движения, ликвидируются лишние подъемы и пробеги, характерные для двух первых решений, и улучшаются эксплуатационные показатели пути сообщения. Однако сооружение тоннеля, особенно ^расположенного в подошве высотного препятствия и имеющего в связи с этим' большую длину, вызывает значительное увеличение капитальных затрат.
Поэтому выбор трассы пути сообщения производят на основании техникоэкономического сравнения вариантов. При этом учитывают народнохозяйственную важность увеличения пропускной и провозной способности путей сообщения в свете задач, поставленных перед транспортом партией и пра-
вительством.
К контурным препятствиям относят участки оползней, осыпей, лавин и снежных заносов, водотоки и водоемы, а также участки густой застройки. Оползни и осыпи угрожают стабильности земляного полотна и безопасности движения при долинных и косогорных ходах. При оползнях малой
мощности возможно расположение пути на эстакадах, опирающихся на ненарушенные породы, в сочетании с противооползневыми мероприятиями. Однако при мощных (более
5 м) оползнях и наличии глубоких потоков подземных вод наиболее правильным решением задачи часто является перенос трассы в глубь горного массива — за пределы оползневой зоны (рис. 2). Это же решение может оказаться целесообразным при наличии в
районе трассы мощных осыпей, возникающих на скальных косогорах (круче 30—35°), сложенных из трещиноватых выветрелых пород. Защита пути от снежных лавин и заносов требует больших эксплуатационных расходов и серьезных инженерных мероприятий вплоть до устройства на опасных участках галерей из камня, бетона или железобетона.
Рис. 2. Преодоление участков оползней, осыпей и сне-гозаносимости
Поэтому в ряде случаев отказываются от открытого пересечения перевала и сооружают тоннель вне зоны, опасной в отношении лавин и заносов (см. рис. 2).
При преодолении водных препятствий необходимо сделать выбор между мостом итоннелем, т. е. между надземным и подземным расположением трассы (рис. 3).' В сравнении с мостовым переходом тоннельное пересечение имеет следующие преимущества: отсутствие помех судоходству; защищенность от ветра, льда, воли; меньшая длина пересечения при высоком габарите судов и широкой пойме; удобство подходов к пересечению в густоза-
строенных населенных пунктах.
Однако тоннельное решение имеет ряд недостатков. При тоннельном пересечении необходима мощная вентиляция, без которой часто невозможна эксплуатация подводного тоннеля. Работы по сооружению тоннеля производят узким фронтом при ограниченном числе забоев, вследствие чего срок сооружения тоннеля, как правило, больше, чем срок сооружения моста. Стоимость тоннельного пересечения может быть выше стоимости мостового перехода, так как для сооружения тоннеля необходимо выполнить больший объем земляных работ, чем при сооружении моста. Однако следует иметь в виду, что с увеличением ширины водного препятствия стоимость 1 пог. м моста увеличивается, а стоимость 1 пог. м тоннеля уменьшается; с увеличением высоты моста возрастают объемы земляных работ на подходах.
В отношении безопасности производства работ мостовой переход не имеет преимуществ по сравнению с тоннельным пересечением. Проходка подводных тоннелей специальными (герметическими) щитами обеспечивает полную безопасность работ и гарантирует их своевременное выполнение, причем может
производиться в течение всего года независимо от сезона и климатических условий.
Особенно возрастают преимущества тоннельного пересечения при сооружении тоннеля из крупных секций, изготовляемых на берегу и опускаемых в котлован, устраиваемый по оси пересечения подводным землечерпанием.
Выбор между мостовым переходом и тоннельным пересечением делают на основании технико-экономического сравнения с учетом всех перечисленных выше соображений.
В условиях современного города увеличение провозной способности пути сообщения требует его расположения вне улиц: на эстакадах или в тоннелях. Эстакадный ва-
риант обладает рядом недостатков, к которым относят: загромождение поверхности опорами эстакад, создающими помехи городскому движению; на-
Тоннель
Рис. 3. Преодоление водного препятствия
рушение эстакадами городского архитектурного ан-
самбля; затемнение домов, шум от движущихся с большой скоростью поездов, пылеобразование.
По перечисленным соображениям обычно отдают предпочтение тоннельному варианту внеуличного транспорта (метрополитен, глубокий железнодорожный ввод, автодорожные тоннели на перекрестках).
§ 3. ОСНОВНАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ
Искусственно образованную в земной коре полость, предназначенную для размещения тоннеля или для вспомогательных строительных целей, называют выработкой. По положению в пространстве выработки делят на горизонтальные, наклонные и вертикальные.
Горизонтальная, или наклонная, выработка (рис. 4) делится на две части: верхнюю сводчатую — калотту и нижнюю — штроссу — и ограничивается сверху кровлей, снизу — подошвой и с боков — стенами. Торец выработки, в котором разрабатывают породу, носит название забоя.
Горизонтальную или наклонную выработку, используемую для раскрытия выработки на полное сечение или вспомогательных целей, называют штольней.
Вертикальные выработки, имеющие выход на дневную поверхность и предназначенные для обслуживания подземных работ, а также для целей вентиляции, носят название стволов (рис. 5). Верхняя часть 2 ствола 3 — устье. В нижней части ствола расположена околоствольная выработка 4, используемая для соединения ствола с подходными штольнями 1 и размещения транспортных и других устройств, а также водосборник (зумпф) 5.
Конструкция тоннеля, называемая обделкой, в общем случае состоит из верхнего свода 1, стен 2 и обратного свода 3 (рис. 6). В некоторых случаях ограничиваются верхним сводом и стенами или даже одним верхним сводом.
В зависимости от степени застройки поверхности, глубины и инженерногеологических условий заложения тоннеля для его сооружения применяют открытый или закрытый способ работ.
При открытом способе с поверхности раскрывают котлован глубиной до 15 м с вертикальными стенами, поддерживаемыми временным ограждением, или с откосами, в котором сооружают конструкцию тоннеля с последующей обратной засыпкой и восстановлением поверхности.
Разновидностью открытого способа работ является сооружение подводных тоннелей опусканием в выполненный подводным землечерпанием котлован заранее приготовленных на поверхности секций тоннеля, которые после стыкования засыпают грунтом с планировкой дна водотока (способ опускных секций).
При закрытом способе разработку породы (проходку) и возведение обделки выполняют без нарушения земной поверхности через
Рис. 4. Горизонтальная выработка Рис. 5. Вертикальная выработка
3
Рис. 6. Тоннельная обделка Рис. 7. Горный способ работ
стволы шахт или входные участки тоннеля (порталы). При этом в зависимости от конкретных условий применяют горный или щитовой способ. В настоящее время широкое распространение получил закрытый способ сооружения тоннелей мелкого заложения.
Горный способ заключается в разработке всего сечения выработки за один прием или по частям с заменой при необходимости вынимаемой породы временной крепью. В первом случае обделку обычно возводят из монолитного бетона, укладываемого механизированными способами за инвентарные передвижные опалубки, или монтируют из железобетонных элементов. При разработке сечения по частям (рис. 7) первоначально проходят небольшую выработку, опережающую штольню 1 или опережающую калотту (см. рис. 175), из которой в последовательности, показанной цифрами, производят расширение сечения до проектного контура с возведением обделки из монолитного бетона. Плотный контакт обделки с окружающими породами обеспечивается нагнетанием за обделку цементного раствора.
При щитовом способе в качестве временной крепи применяют стальной цилиндр — щит, имеющий диаметр, несколько больший, чем тоннельная обделка (рис. 8).
Тоннельная обделка при щитовом способе работ обычно имеет круговое очертание и состоит из изготовленных в заводских условиях чугунных элементов-тюбингов или железобетонных элементов-блоков. Кольца обделки собирают из этих элементов под защитой задней части щита — оболочки. Породу перед щитом разрабатывают на ширину кольца обделки, после чего щит передвигают в образовавшееся
пространство при помощи расположенных в нем гидравлических домкратов, которые упираются в последнее кольцо обделки.
При щитовом способе работ можно также применять обделку из монолитного бетона, прессуемого щитовыми домкратами при передвижке щита.
В настоящее время широкое распространение получили механизирован-
Рис. 8. Щитовой способ работ
ные щиты, снабженные в передней части рабочим органом, предназначенным для механизированной разработки породы.
Проходку тоннелей вводоносных грунтах и подводных тоннелей выполняют, как правило, щитовым способом. При этом для отжатия подземных вод переднюю часть тоннеля, отделенную перегородкой, заполняют сжатым воздухом, давление которого соответствует давлению воды. Более прогрессивным направлением является применение для проходки подводных тоннелей вышеупомянутого способа опускных секций или герметизированных щитов с использованием для разработки породы гидромеханизации.
§ 4. КРАТКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ ТОННЕЛЕСТРОЕНИЯ
Истоки тоннелестроения, первоначально заключавшегося в создании подземных выработок, уходят в глубокую древность. Задолго до нашей эры в Вавилоне, Египте, Греции и Риме подземные работы производили для добычи полезных ископаемых, сооружения гробниц, храмов. Позднее тоннели сооружали также для целей водоснабжения и транспорта. Значительные тоннельные работы вели римляне, создавшие ряд дорожных, водопроводных и дренажных тоннелей, часть которых сохранилась до нашего времени.
Развитие тоннелестроения тесно связано с развитием орудий и средств производства. Уровень тоннельной техники соответствовал уровню развития производительных сил. Все древние тоннели сооружаля, как правило, в крепких скальных породах, не требующих устройства обделки, причем выработке придавали сводчатое очертание, соответствующее форме естественных пещер. Работы выполнялись рабским трудом с помощью кирок, ломов, клиньев, а также огневым способом, заключавшимся в сильном нагревании забоя выработки с последующим охлаждением холодной водой и разборкой растрескавшейся скалы. После падения Римской империи в тоннелестроении, как и в других отраслях человеческой деятельности, наступил период длительного застоя, в течение которого подземные работы производились преимущественно для военных целей.
В конце средних веков, в связи с расширением международных связен и стремлением к укорочению торговых путей начинается строительство судоходных тоннелей, соединявших между собой водные пути сообщения, разделенные водоразделами. Предпосылкой к строительству тоннелей в этот период явилось применение черного пороха для взрывания скальных пород.
Первый судоходный тоннель длиной около 160 м был построен во Франции на Лангедокском канале в 1679—1681 гг.
Толчком для дальнейшего развития тоннелестроения послужило появление железных дорог, требующих малых уклонов и сооружения тоннелей для преодоления высотных препятствий. Первый железнодорожный тоннель длиной 1190 м был построен в 1826— 1830 гг. в Англии на линии Ливерпуль — Манчестер. Почти одновременно развернулось строительство железнодорожных тоннелей во Франции и других европейских странах.
Несмотря на быстрое развитие тоннелестроения, длина тоннелей, сооружавшихся с использованием ручного бурения и черного пороха, не превышала 3,5 км. Уровень техники ограничивал возможности строительства длинных тоннелей. Открытие пироксилина (1845 г.) и динамита (1866 г.), а также успешное применение в горном деле бурильных машин ударно-поворотного действия (1851 г.) произвели технический переворот в тоннелестроении и сделали возможным сооружение больших альпийских тоннелей между Францией, Италией н Швейцарией.
В 1857—1871 гг. был сооружен тоннель Мон-Сеиис длиной 12 850 м, соединивший Францию с Италией, в 1872—1882 гг. — тоннель Сен-Готард длиной 14 984 м, соединивший Италию со Швейцарией. До начала первой мировой дойны были построены 26 тоннелей длиной более 5 км каждый, в том числе самый длинный в мире Симплонский тоннель длиной 19 780 м, соединивший Италию со Швейцарией. Строительство первого из двух однопутных Симплонских тоннелей было начато в 1898 г. и закончено в 1906 г.
Тоинелестроителям пришлось встретиться с большими трудностями (огромное горное давление, большой приток горячей воды, высокая температура в выработке, доходившая до 55° С). Второй Симплонский тоннель был построен лишь к 1921 г.
Основным материалом для возведения обделки тоннелей была бутовая кладка на известковом и цементном растворах. Только в 1889 г. для реконструкции тоннелей впервые был применен бетон, получивший с первой четверти двадцатого века широкое распространение в тоннельном строительстве.
После первой мировой войны масштабы строительства тоннелей уменьшились, что в известной степени объяснялось завершением к этому времени развитии железнодорожной сети в основных странах Европы. Среди построенных в этот период значительных сооружений выделяется самый длинный в мире двухпутный железнодорожный тоннель — Большой Апеннинский на линии Флоренция — Болонья (Италия) (1920—1931 гг., длина 18 510 м), имеющий в середине подземную обгонную станцию. В 1927 г. был закончен Ровский судоходный тоннель длиной 7118 м на водной магистрали Марсель — Рона (Франция), являющийся крупнейшим а мире по размерам поперечного сечения (выработка 24,5 X 17,1 м).
В последнее десятилетие в связи со значительным развитием автомобильного транспорта развернулось строительство горных автодорожных тоивелей, среди которых наиболее крупным является Монбланский тоннель длиной 11 200 м, построенный в 1959— 1964 гг. Проектируется Большой Сен-Готардский тоннель длиной 16 320 м.
Наряду со строительством горных тоннелей развивалось и строительство тоннелей подводных, в первую очередь на железных, а позднее и на автомобильных дорогах.
Строительство подводных тоннелей стало возможным благодаря применению тоннельных щитов и использованию сжатого воздуха для оттеснения воды из выработки и сборной обделки, составляемой из чугунных элементов — тюбингов.
Впервые тоннельный щит был применен Брюнелем при постройке тоннеля под р. Темзой, но получил всеобщее признание лишь после его усовершенствования в 1869 г. Барлоу и Грэйтхэдом. Грэйтхэдом же был впервые успешно применен сжатый воздух для проходки тоннеля Лондонского метрополитена в 1886 г., хотя проходка шахтного ствола под сжатым воздухом была осуществлена Тригером еще в 1839 г.
Щитовым способом построено много подводных тоннелей, особенно в США. Только в Нью-Йорке имеется 20 крупных подводных тоннелей, из которых наиболее значительным является Линкольнский тоннель под р. Гудзон, пройденный вдавливанием щита в илистый грунт с рекордной скоростью 13,5 м в сутки (наружный диаметр 9,43 м, длина подводной части 1397 м, общая длина 2495 м.) Наиболее длинным подводным тоннелем в мире будет сооружаемый в настоящее время между островами Хонсю и Хоккайдо (Япония) железнодорожный тоннель Сейкен длиной 36,5 км, из которых 22 км будет пройдено под дном морского пролива Цугару. Самое большое поперечное сечение среди подводных тоннелей имеет Мерсейский тоннель (Англия), сооруженный в скальных породах без применения сжатого воздуха (наружный диаметр 14,1 м, длина подводной части 1372 м, общая длина 3425 м).
При строительстве подводных тоннелей наряду со щитовым способом широко применяют способ опускных секций, который исключает необходимость использования сжатого воздуха, обеспечивает сокращение сроков и стоимости строительства. К наиболее значительным сооружениям, возведенным этим способом относятся построенный в в 1965—1969 гг. тоннель для автомобильного и железнодорожного транспорта под р. Шельдой (Бельгия), подводная часть которого состоит из железобетонных предварительно напряженных секций сечением 47,8 X 10 м и длиной 102 м, а также сооружаемый в настоящее время тоннель под р. Эльбой (ФРГ) (8 секций из железобетона сечением 42,5 X 8,5 м и длиной 132 м).
В 1863 г. пуском первой линии Лондонского метрополитена началось строительство в крупнейших городах мира метрополитенов, являющихся сложными комплексами подземных сооружений. В настоящее время находятся в эксплуатации 38 метрополитенов (в том числе в нашей стране — в Москве, Ленинграде, Киеве, Тбилиси и Баку), причем в связи с ростом городов сеть линий обслуживающих их метрополитенов непрерывно расширяется. Одновременно в десятках крупных городов мира ведется строительство (в том числе в Ташкенте и Харькове) и проектирование (в том числе в Минске и Новосибирске) новых метрополитенов.
Значительный размах получило строительство гидротехнических, коммунальных и специальных тоннелей. Гидротехнические тоннели, получившие широкое распространение в связи со строительством гидроэлектростанций и сооружаемые обычно в крепких скальных породах, имеют наибольшие размеры. Так, высота сечения отводящего тоннеля гидростанции Сторнфорс (Швеция) достигает 26,8 м при ширине 15,8 м, тоннель Сноун-Меррей (Австралия) имеет длину 29,2 км.
В России первый железнодорожный тоннель был построен к 1862 г. (двухпутный Ковенскнй тоннель длиной 1280 м), что объяснялось равнинным характером европейской части страны и отсутствием необходимости в тоннелях иа путях сообщения. Дальнейшее строительство железнодорожных тоннелей связано с освоением окраин России в конце XIX в. Среди многочисленных тоннелей, построенных в этот период на железных дорогах в горных районах Крыма, Урала, Сибири, наибольший интерес представляет двухпутный Сурамскнй тоннель (1886—1890 гг., длина 3998 м), до настоящего времени являющийся самым длинным двухпутным горным тоннелем в нашей стране.
В начале XX в. развернулось широкое строительство тоннелей в Сибири н на Дальнем Востоке. Среди многочисленных сооружений этого периода выделяется Хинганский тоннель длиной 3078 м на Китайско-Восточной железной дороге, средняя скорость постройки которого достигала 205 м в месяц. Ряд двухпутных тоннелей Дальнего Востока был сооружен впервые в мире в условиях вечной мерзлоты, создававших большие трудности как в период постройки, так и во время эксплуатации тоннелей.
В первые годы после Великой Октябрьской социалистической революции проводились работы по завершению строительства тоннелей, начатых до войны.
Новое тоннельное строительство развернулось лишь позднее в связи с созданием сети гидроэлектростанций по Ленинскому плану ГОЭЛРО. Значительный размах получили тоннельные работы после успешного завершения строительства первой очереди Московского метрополитена, которая была сдана в эксплуатацию в 1935 г. Во время постройки первого в СССР метрополитена были подготовлены многочисленные кадры советских тониелестроителей и создана база для развертывания последующего строительства. Рост индустриальной мощи страны способствовал повышению степени механизации тоннельных работ.
Строительство каждой линии Московского метрополитена представляет собой крупный шаг в деле развития советского метростроения и характеризуется внедрением более совершенных конструкций, машин, механизмов, новых технологических процессов, достижением новых рекордных скоростей проходки тоннелей.
На 1 января 1974 г. сеть линий Московского метрополитена им. В. И. Ленина имела 154,4 км тоннелей (в двухпутном исчислении) с 96 станциями (к концу 1975 г. ее протяженность должна возрасти до 170,7 км, а число станций — до 104).
Большой опыт московских метростроителей широко использован и творчески развит строителями Ленинградского, Киевского, Тбилисского и Бакинского метрополитенов, каждый из которых построен в геологических условиях, резко отличающихся от московских. При строительстве этих метрополитенов широкое применение нашли механизированные щкты, внедрены новые оригинальные конструкции н способы производства работ, достигнуты высокие скорости проходки.
Для советских метрополитенов характерен массовый переход от чугунных обделок к обделкам из сборных железобетонных элементов. Успешно строят тоннели мелкого заложения кругового очертания щитовым способом без нарушения поверхности. Применение щитов с горизонтальными рассекающими площадками обеспечило высокие скорости сооружения перегонных тоннелей в песчаных грунтах. За пределами полосы густой застройки применяют открытый способ работ, обеспечивающий значительное снижение стоимости тоннелей. Ведется производственная проверка сооружения тоннелей мелкого заложения специальным прямоугольным щитом с укладкой обделки из цельных секций замкнутого сечения.
Одновременно со строительством метрополитенов в нашей стране велись большие работы по сооружению тоннелей всех видов.
К наиболее значительным транспортным тоннелям, построенным за последние десятилетия, относятся однопутный железнодорожный Росвумчоррский (5000 м), 5 однопутных тоннелей на железной дороге Абакан — Тайшет (общая длина их 8640 м), высокогорный Сусамырский автодорожный тоннель (2562 м).
Большое развитие получило строительство гидротехнических тоннелей.
Значительный технический прогресс, улучшение организации производства и внедрение комплексной механизации позволили снизить трудоемкость и стоимость работ, достичь высоких скоростей сооружения тоннелей метрополитенов.
Мастерство советских тоннелестронтелей получило международное признание. Ими сооружен ряд крупных тоннелей за рубежом, в том числе комплекс Асуанских тоннелей в АРЕ наружным диаметром 17 м, высокогорный тоннель на Гиндукуше (Афганистан) длиной 2676 м и др. Метрополитены Будапешта и Праги строятся при участии советских специалистов.
Глава 2
ПЛАН И ПРОДОЛЬНЫЙ ПРОФИЛЬ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ И АВТОДОРОЖНЫХ ТОННЕЛЕЙ
§ 5. ТРЕБОВАНИЯ К ПЛАНУ И ПРОФИЛЮ ТОННЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ ТРАССЫ
Железнодорожные тоннели. Применение тоннелей на высокогорных участках железнодорожных линий расширяет возможности их трассирования и улучшает условия эксплуатации.
План и профиль пути в тоннеле проектируют по нормам, установленным для открытых участков трассы (см. СНиП П-Д.1-62), с учетом особенностей, связанных с расположением линии в подземной выработке.
Рекомендуется располагать тоннели на прямых участках пути, так как тоннели, расположенные на кривых, имеют существенные недостатки. К ним относятся: необходимость уширения габаритов приближения строений на кривых (см. §26), вызывающего увеличение размеров выработки и объема работ по сооружению тоннельной обделки; усложнение подземной разбивки оси тоннеля; увеличение износа рельсов (особенно на кривых малых радиусов), находящихся во влажном воздухе тоннеля в неблагоприятных условиях; ухудшение условий вентиляции. Однако в ряде случаев расположение тоннелей на кривых является неизбежным.
Необходимость в устройстве тоннелей часто возникает на напряженных ходах, прокладываемых с максимально возможным уклоном трассирования: руководящим уклоном ip или уклоном кратной тяги iKp, уменьшенным на величину удельного сопротивления i3K на кривых.
Если уклон местности превышает допустимый уклон трассирования, приходится прибегать к искусственному развитию линии, т. е. удлинять ее, чтобы преодолеть разность высот начальной и конечной точек.
При этом трассу прокладывают по горным склонам в виде извилистой линии с использованием особенностей рельефа местности (рис. 9).Благоприятным для развития линии является наличие боковых долин, впадающих в главную долину. Заход линии в боковую долину (рис. 9, а) или в две боковые долины, расположенные недалеко одна от другой (рис. 9, б), позволяет устроить петлю большого протяжения с набором значительной высоты. При этом возникает необходимость в сооружении тоннелей.
В случае отсутствия боковых долин или их неудобства для развития линии последнее выполняют на склонах главной долины в виде комбинации петель (рис. 10). Для резкого изменения направления линии, проходящей по
используют открытые выемки
или петлевые тоннели
склону долины, (рис. 10, а).
Рис. 9. Заход трассы в долины
В случае невозможности петлевого развития (узкие долины с крутыми изрезанными склонами) применяют развитие линии с устройством спирального тоннеля, обеспечивающего необходимый подъем линии внутри горного массива с поворотом ее на 360°(рис. 10, б). В месте пересечения, осуществляемого в разных уровнях, сооружают путепровод, а при достаточном слое пород над сводом нижнего тоннеля его используют в качестве основания для верхнего пути.
Для преодоления значительных высотных препятствий развитие линии часто дополняют устройством перевального тоннеля, соединяющего склоны соседних долин (см. рис. 1). Это позволяет понизить уровень пересечения препятствия, соответствующий выходу на перевал с устройством открытой выемки, и сократить длину подходов.
По рекомендациям СНиП (П-Д. 1-62) радиусы кривых в тоннелях должны быть, как правило, не менее 600 м. Однако в случае петлевых и спиральных тоннелей выполнение этого требования связано со значительным увеличением их длины, пропорциональной величине радиусов, и строительной стоимости. При соответствующем технико-экономическом обосновании величину минимального радиуса можно принять равной 400 м, а в трудных горных условиях — уменьшить по согласованию с МПС до 250 м (иа линиях 1 и II категорий).
Трассирование линии вдоль изрезанных берегов озер и морей сопряжено с необходимостью сооружения тоннелей при пересечении мысов (рис. 11). Длина мысового тоннеля тем больше, чем больше радиус кривой, на которой он расположен. Очевидно, и в этом случае целесообразно рассмотреть вопрос об уменьшении радиуса кривой, чтобы сократить капитальные затраты на строительство тоннеля, имея, однако, в виду, что наличие кривой малого радиуса не должно ограничивать скорости движения поездов на данном участке. Это возможно в том случае, если тоннель расположен на горбе профиля и поезд подходит к нему со скоростью, меньшей допустимой на кривой принятого радиуса.
Перевальные тоннели, обеспечивающие пересечение высотного препятствия, устраивают, как правило, на прямой (рис. 12). Лишь входные участки перевального тоннеля часто находятся на кривых, так как подходы к ним располагают вдоль склонов. В этом случае целесообразна пробивка так называемой визирной штольни, являющейся продолжением прямолинейной оси основной части тоннеля. Наличие визирной штольни обеспечивает значительные удобства при производстве работ (облегчение разбивки оси тоннеля, транспорта и отвала породы, улучшение вентиляции подземной выработки),
В сложных случаях развития возникает необходимость в сооружении ряда тоннелей различных типов.
В продольном профиле тоннели устраивают односкатными и двускатными. Односкатный профиль (рис. 13) имеют тоннели, устраиваемые при развитии линии, так как их используют для набора высоты (петлевые, спиральные,
fl) Петлевой, тоннель ^Сь долины б) ~ д Спиральный, i / \ тоннель \ А \^^Пересечение \ >6. В разных \ \ Л уровнях ^}СЬ ° Рис. 10. Петлевой и спиральный тоннели
Рис. 11. Мысовой тоннель
Рис. 12. Перевальный тоннель
мысовые, а также короткие перевальные тоннели; двускатный профиль (рис. 14) имеют перевальные и подводные тоннели.
Достоинством тоннелей с односкатным профилем является значительная разность высот между порталами, обеспечивающая тепловой напор, способствующий естественной вентиляции во время постройки тоннеля (после сбойки передовых забоев) и его эксплуатации, и быстрое удаление воды благодаря крутым уклонам. Основным недостатком тоннелей с односкатным профилем является трудность удаления воды, поступающей в выработку, при проходке с верхнего портала. В этом случае вода стекает к забою, что отрицательно отражается на скорости проходки даже при хорошо налаженном искусственном водоотливе. Наличие естественной тяги после сбойки улучшает проветривание выработки, но имеет и недостатки, так как поступление в забой свежего воздуха с большими скоростями (особенно в зимнее время) может вызвать простудные заболевания у рабочих и ухудшить условия твердения бетона тоннельной обделки. Поэтому односкатный профиль применяют главным образом в тоннелях на кривых, используемых для набора высоты, а в перевальных и мысовых тоннелях — лишь при их коротком протяжении, позволяющем выполнить работу в установленные сроки при проходке с одного нижнего портала.
Двускатные тоннели лишены отмеченных недостатков (кроме подводных, требующих искусственного водоотлива), но естественная вентиляция их затруднена вследствие недостаточности теплового напора.
Особым случаем является сооружение тоннелей в суровых климатических условиях, где большое значение имеет быстрый отвод воды, проникающей в тоннель. В таких тоннелях рекомендуется, как правило, устраивать односкатный профиль с продольным уклоном не менее 6°/00.
Рис. 13. Односкатные тоннели
Рнс, 14. Двускатные тоннели
По условиям водоотвода уклон в тоннеле не должен быть менее 3°/м. Лишь в исключительных случаях допускается уменьшение продольного уклона до 2°/м, Горизонтальные разделительные площадки, уменьшающие разность сопрягаемых в тоннеле уклонов, могут иметь длину от 200 до 400 м. При этом естественный сток воды к границам площадки обеспечивается переменной глубиной водоотводного лотка, имеющегося в тоннеле. Более целесообразна замена разделительной площадки двумя участками, имеющими встречные уклоны 3°/00.
Максимальный уклон, допустимый в тоннеле, меньше максимального уклона на открытом участке, т. е. в тоннеле необходимо смягчение уклона. Причиной этого являются снижение в тоннеле коэффициента сцепления между рельсами и колесами локомотива и наличие воздушного сопротивления при движении подвижного состава, действующего в тоннеле как поршень.
Уменьшение сцепления обусловлено повышенной влажностью воздуха в тоннеле, ведущей к образованию пленок воды на головках рельсов. При хорошей вентиляции, а также в сухих тоннелях влажность воздуха сравнительно невелика и падение коэффициента сцепления менее существенно.
Воздушное сопротивление зависит от ряда факторов (скорость движения подвижного состава, степень заполнения им поперечного сечения тоннеля, сопротивление тоннеля как воздуховода) и составляет от 0,2 до 1 кгс/тс. Оно больше в однопутных и меньше в двухпутных тоннелях и повышается с увеличением длины тоннеля.
Сравнивая значения силы тяги по сцеплению на открытом участке и в тоннеле, можно получить величину максимального уклона, допустимого в тоннеле, расположенном на прямой.
Практически максимальный допускаемый уклон в тоннеле на кривой находят по формуле
Ч = mip iJKt (1)
где ip — руководящий уклон;
1ЭК — уклон, эквивалентный сопротивлению на кривой;
т — коэффициент смягчения уклона, принимаемый по табл. 1, взятой из СНиП П-Д.8-62 (его величина назначена с учетом воздушного сопротивления, испытываемого поездом в тоннеле).
Таблица 1
Коэффициенты т для определения наибольшего уклона пути в тоннеле
Длива тоннеля, км До 0,3 0.3-1,0 1 ,0-3,0 Более 3,0
т 1,0 0,90 0,85 От 0,80 до 0,75 (в зависимости от длины тоннеля)
Смягчение уклона должно быть произведено не только в самом тоннеле, но и на подходе к нему со стороны подъема на участке, длина которого равна полезной длине приемо-отправочных путей раздельных пунктов данной линии (рис. 15). Это требование вызвано
1, Рнс. 15. Смягчение уклона на подходе к тоннелю необходимостью уменьшить сопротивление движению состава на подходе к тоннелю, так как локомотив, войдя в тоннель, уменьшает силу тяги по сцеплению и при отсутствии смягчения не сможет втянуть состав в тоннель. Автодорожные тоннели. План и продольный профиль тоннельных
участков дорог должны удовлетворять требованиям для открытых участков (см. СНиП Н-Д.5-62) и некоторымдополнительным положениям, приведенным ниже.
При проектировании автодорожных тоннелей желательно их располагать на прямых. Тоннели на кривых, неизбежные при развитии линии, обладают следующими недостатками: необходимость увеличения ширины проезжей части с устройством виражей для обеспечения безопасности движения; трудности подземной разбивки оси сооружения; ухудшение видимости, имеющей большое значение в тоннеле для безрельсового транспорта, особенно при встречных потоках автомашин.
Поэтому минимальный радиус кривой в автодорожном тоннеле принимают равным 250 м. При этом обеспечивается плавное движение автомашин с расчетными скоростями. В исключительно сложных условиях рельефа или в черте городской застройки радиус кривой можно уменьшить до 100 м при специальном обосновании.
Продольный профиль тоннеля проектируют с учетом возможности улучшения естественной тяги воздуха, для чего необходима разность высот порталов. При длине горного тоннеля до 300 м обязательно применение односкатного профиля, в благоприятных условиях обеспечивающего естественное проветривание.
При большей длине тоннеля характер продольного профиля выбирают на основании технико-экономического сравнения вариантов.
Тоннели при развитии линии, используемые для набора высоты, устраивают, как правило, односкатными.
Двускатные тоннели обеспечивают естественную тягу лишь при наличии вентиляционных шахт, но более удобны в эксплуатации и не требуют искусственного водоотлива при проходке.
Городские и подводные тоннели устраивают двускатными.
По условиям водоотвода продольный уклон в тоннеле принимают равным не менее 4°/00. Короткие горизонтальные разделительные элементы профиля протяжением 250—500 м заменяют обычно двумя элементами профиля с уклоном 3°/00 от середины к концам.
Наличие в автодорожном тоннеле хорошей вентиляции, ровный температурный режим, отсутствие осадков и усовершенствованное дорожное покрытие делают условия эксплуатации автомобильной дороги в тоннеле лучшими, чем на открытом участке. Коэффициент сцепления колес автомобиля с полотном дороги в тоннеле (за исключением входных участков протяжением 75—125 м) достигает 0,4—0,5. Воздушное сопротивление движению автомашин невелико вследствие малого заполнения ими поперечного сечения тоннеля? Поэтому по условиям сцепления уклон в тоннеле не ограничивается. Но в тоннелях длиной более 300 м не следует допускать уклонов более 40°/оо, так как при больших уклонах резко возрастает расход горючего и соответственно увеличивается объем воздуха, необходимого для вентиляции.
§ 6. НАЗНАЧЕНИЕ ВЫСОТНОГО ПОЛОЖЕНИЯ И МЕСТ ПОРТАЛОВ ТОННЕЛЕЙ
При преодолении высотного препятствия большое значение имеет высота расположения перевального тоннеля, определяющая длину последнего. Тоннели, пересекающие водоразделу его подошвы, носят название базисных, или подошвенных; расположенные у вершины — вершинных.
Выбор высоты расположения тоннеля определяется рядом факторов, которые должны быть учтены.
Важное значение имеет топография местности, в первую очередь характер склонов пересекаемого горного массива.
В большинстве случаев крутизна склонов увеличивается с подъемом, и если в нижней части горного массива небольшое смещение тоннеля кверху вызывает значительное сокращение его длины, то в средней части повышение уровня расположения тоннеля мало влияет на изменение длины тоннеля. В то
же время с подъемом увеличиваются крутизна и изрезанность склонов, затрудняющие трассирование и постройку подходов (в связи с необходимостью заходов трассы в боковые долины, пересечение которых часто затруднительно), а длина последних резко увеличивается. Особое значение имеет длина подхо-
Рис. 16. Высотное положение тоннелей дов к тоннелю в районах с большими атмосферными осадками, так как в этом случае необходимо проводить мероприятия по защите дороги от лавин и заносов. При оценке гидрометеорологических факторов серьезное внимание следует уделять также направлению, силе и влажности господствующих ветров, так как от этих факторов зависит заносимость подходов к тоннелю и возмож-
ность его естественного проветривания.
Решающее значение для принятия решения могут иметь геологические и гидрогеологические факторы: неустойчивость косогоров, наличие оползневых и карстовых явлений, а также участков осыпей в районе намечаемых подходов требуют специальных технических мероприятий (перенос подходов на отдельных участках трассы в глубь горного массива, устройство галерей, се-леспусков и т. п.), стоимость которых может оказаться весьма значительной. Необходимо считаться также с возможностью размыва дорожного полотна горными потоками, которая возрастает с увеличением высоты подъема и крутизны склонов.
На высотное положение тоннеля влияет также род транспорта, для которого тоннель предназначен, так как род транспорта определяет допустимые уклоны и радиусы кривых. Поэтому высота пересечения может быть выше для автодорожных тоннелей, чем для тоннелей железнодорожных, а для последних при электрической тяге выше, чем при паровой или тепловозной.
Выбор высотного положения тоннеля необходимо обосновать и с экономических позиций, т. е. сравнить по стоимости несколько технически целесообразных вариантов.
Сравнивают участки железной или автомобильной дороги, включающие подходы и тоннель, между двумя точками (Л и Б), за которыми трасса дороги по всем вариантам одинакова (рис. 16). Несмотря на большее протяжение подходов при более высоком расположении тоннеля (2-й вариант), величина строительных расходов С для варианта с ниже расположенным тоннелем (1-й вариант) обычно оказывается большей (Сх > С2) вследствие высокой стоимости тоннеля. Однако 1-й вариант обладает несомненными эксплуатационными преимуществами. Длина линии между точками А и 5 является меньшей, отсутствует необходимость бесполезного подъема перемещаемых по линии грузов на значительную высоту, уклоны линии могут быть уменьшены, а скорости движения увеличены, отпадает необходимость в мероприятиях по защите линии от заносов и осыпей. Вследствие этого годовые эксплуатационные затраты Э по 1-му варианту значительно меньше, чем по 2-му варианту (Э2 > Эх). Если принять 1- й вариант, то потребуется п лет, чтобы за счет сокращения эксплуатационных расходов окупить избыточные в сравнении со 2-м вариантом
капитальные затраты. Срок окупаемости
С1—С, п = —---— лет.
Э2—
(2)
При сравнительно небольшом сроке окупаемости (10—15 лет) целесообраз' ио принять базисное решение, как более соответствующее основному направлению технической политики на железнодорожном транспорте — увеличению пропускной способности и грузооборота транспортных магистралей.
Однако и при большом сроке окупаемости может быть принят вариант базисного расположения тоннеля, как более прогрессивный.
Примером экономической целесообразности перехода от вершинного к базисному расположению перевального тоннеля является первоначальный проект замены существующего СенТотардского тоннеля длиной 14,98 км, пересекающего Центральные Альпы на высоте 1100—1145 м над уровнем моря, Большим Сен-Готардским тоннелем длиной 45 км на высоте 280—470 м (по принятому проекту длина тоннеля составляет 16,32 км).
В условиях социалистического хозяйства денежные показатели не имеют такого решающего значения, как в хозяйстве капиталистическом. Выбор варианта следует делать на основе оценки всех характеризующих варианты факторов с учетом народнохозяйственного значения принимаемого решения.
При выбранной высоте пересечения длина тоннеля определяется местами расположения его входов — порталов.
Положение порталов назначают из экономических и конструктивных соображений с учетом конкретных местных условий. При этом необходимо иметь в виду, что увеличение глубины предпортальной выемки вызывает увеличение стоимостей портала, а также срезки и укрепления лобового откоса, расположенного над ним. Значительная срезка лобового склона горного массива нарушает устойчивость пород над припортальным участком и требует проведения на большой высоте значительных земляных работ, которые в этих условиях трудно механизировать.
Кроме того, глубина выемки ограничивается свойствами пород, в которых ее устраивают. В неблагоприятных геологических условиях создание глубоких выемок связано с возможностью образования оползней и обвалов и ухудшает условия безопасности движения.
Опыт проектирования показывает, что в глинистых породах глубина предпортальной выемки не должна превосходить 12—15 м. В скальных породах глубина выемки может достигать 20—25 м, однако обычно ее устраивают значительно меньшей. Это объясняется тем, что при крутом лобовом откосе горного массива уменьшение глубины предпортальной выемки резко сокращает объем земляных работ в выемке и над порталом, вызывая сравнительно небольшое увеличение длины тоннеля.
Минимальную глубину предпортальной выемки в скальных породах назначают так, чтобы над обделкой предпортальных колец оставался достаточный слой породы (около 2—3 м), обеспечивающий возможность проходки припор-тального участка закрытым способом по единой технологической схеме, принятой при постройке тоннеля.
§ 7. СРАВНЕНИЕ ДВУХПУТНОГО ТОННЕЛЯ С ДВУМЯ ОДНОПУТНЫМИ ТОННЕЛЯМИ
При проектировании перевального тоннеля, имеющего значительную длину, необходимо сравнить два варианта: двухпутный тоннель или два однопутных тоннеля (рис. 17).
Сооружение вместо двухпутного тоннеля двух однопутных меньшего сечения имеет следующие преимущества: при достаточном расстоянии (15— 25 м) между осями параллельных тоннелей горное давление на каждый из них будет определяться по величине пролета отдельной выработки, т. е. составит примерно лишь половину давления, действующего на двухпутный тоннель, вследствие чего тоннельная обделка и временная крепь подземной выработки могут быть облегчены; при благоприятных условиях возможно естественное проветривание тоннелей за счет поршневого действия подвижного состава, заполняющего большую часть поперечного сечения тоннеля (см. § 23); первоначальные капиталовложения, необходимые для открытия движения по линии, могут быть значительно сокращены, так как в первую очередь сооружают лишь один тоннель, а второй тоннель — лишь тогда, когда в связи с ростом грузооборота возникает необходимость в строительстве вторых путей.
При сооружении первого тоннеля, имеющего большую длину, с раскрыти ем выработки по частям (см. рис. 17) иногда целесообразно пройти по оси второго 19
СвоЭ
Рис. 17. Два однопутных тоннеля на двухпутной линии
тоннеля или между тоннелями вспомогательную штольню малого сечения, соединяемую с опережающей штольней первого тоннеля поперечными сбойками через каждые 100— 300 м.
Вспомогательную штольню используют для удаления разработанной породы, размещения различных труб, кабелей и подсобных устройств, водоотлива и вентиляции. Помимо удобств, даваемых при производстве работ и при вентиляции готового тоннеля, вспомогательная штольня повышает степень безопасности подземных работ, так как в случае обвала или затопления выработки рабочие могут быть выведены по этой штольне из опасной зоны. Для предотвращения затопления штольни на поперечных сбойках устраивают прочные перемычки с дверями. Такая система была с успехом использована при сооружении Симплонского тоннеля.
Однако общий объем работ и стоимость сооружения в случае двух однопутных тоннелей несколько возрастают, искусственная вентиляция длин-
ных тоннелей во время эксплуатации затрудняется в связи с увеличением аэродинамического сопротивления при меньших значениях гидравличе-
ских радиусов и сокращаются возможности механизации тоннельных работ вследствие уменьшения площади сечения выработки.
СНиП П-Д.8-62 рекомендуют в случае, если на железной дороге I категории с электрической тягой в течение ближайших 10—15 лет намечается постройка вторых путей, рассмотреть вопрос о целесообразности сооружения двух однопутных тоннелей или одного двухпутного. При тепловозной тяге тоннели длиной более 300 м устраивают однопутными, что улучшает возможности естественного проветривания их за счет поршневого действия поездов.
Экономическое сравнение вариантов може'Гбыть проведено по изложенной ниже методике, в которой использованы следующие обозначения:
Ki — строительная стоимость однопутного тоннеля I очереди;
Kt— строительная стоимость однопутного тоннеля II очереди, сооружаемого через t лет;
Аа — строительная стоимость двухпутного тоннеля;
£ = -^—коэффициент эффективности капиталовложений;
п — нормативный срок окупаемости (в годах).
Очевидно, что Kt< так как при сооружении тоннеля II очереди местность является освоенной, имеются строительная площадка, дороги, карьеры, опережающая штольня и т. п. С учетом использования в народном хозяйстве капиталовложений, нужных для сооружения однопутного тоннеля II очереди, строительная стоимость К двух однопутных тоннелей будет равна
(3)
Ее сравнение со стоимостью двухпутного тоннеля Аа даст представлеиие об экономической целесообразности решения.
Автодорожные тоннели проектируют для двух полос движения. Если на автомобильной дороге I категории число полос превышает две, вместо одного тоннеля следует устраивать два двухпутных тоннеля, раздельных для каждого направления. Лишь в сложных топографических условиях, где затруднено устройство подходов к тоннелям, допустимо сооружение одного четырехполосного тоннеля, хотя это связано с необходимостью уширения габарита за счет создания разделительной полосы шириной 1,2 м между полосами с движением в противоположных направлениях.
Глава 3
ТРАССИРОВАНИЕ ТОННЕЛЕЙ
§ 8. ЗАДАЧИ И ВИДЫ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТОННЕЛЕЙ
При сооружении тоннелей всех видов большую роль играет их трассирование, т. е. выбор положения оси тоннеля в плане и профиле, вычисление ее геометрических элементов и разбивка оси на местности и внутри горного массива, так как от этого зависят объемы и стоимость строительства. Решению перечисленных задач посвящены специальные разделы геодезии, получившие в нашей стране широкое развитие. Ниже рассмотрены основные вопросы, разрешаемые при трассировании транспортных тоннелей.
Трассирование тоннеля представляет собой часть общей задачи по изысканию и проектированию трассы пути сообщения.
Для рационального и экономичного выбора положения тоннеля и обеспечения его постройки в соответствии с проектом выполняют следующие геодезические работы:
1. Топографические съемки крупного масштаба, необходимые для построения геологического разреза и окончательного выбора трассы тоннеля.
2. Наземные триангуляция, полигонометрия и нивелирование, составляющие геодезическую основу всех съемочных и разбивочных работ.
3. Ориентировки подземных выработок через порталы, стволы шахт, наклонные тоннели и скважины с целью переноса направления оси тоннеля в подземную выработку.
4. Подземные полигонометрия и нивелирование, служащие для закрепления оси тоннеля и разбивки его'поперечных сечений.
Кроме съемок, производимых при изысканиях наиболее целесообразной трассы пути сообщения, на участках тоннелей проводят специальную топографическую съемку (тахеометрическую, или ’мензульную), охватывающую полосу геологических изысканий. Ширина этой полосы зависит от глубины заложения тоннеля, структуры горного массива и топографических условий. Так, при глубине заложения тоннеля до 100 м ширину полосы геологических исследований принимают не менее 300 м.
§ 9. СПОСОБЫ ТРАССИРОВАНИЯ
Проектирование трассы тоннеля в плане производится геометрическим или аналитическим способом.
При геометрии е.с ком способе в период изысканий линии на местности провешивают и закрепляют ось тоннеля с разбивкой круговых кривых и измеряют ее линейные и угловые элементы. Результаты этих измерений принимают за основу при проектировании и последующей точной разбивке оси во время постройки.
Закреплению подлежат точки входов в тоннель и направления линии на подходах. На криволинейных участках должны быть закреплены точки начала и конца кривых, расположенные вне тоннеля, и направления линий тангенсов.
В сложных горных условиях, затрудняющих точное измерение длин линий и закрепление их на поверхности, осевые точки, расположенные у входов в тоннель, включают в сеть триангуляции, после чего длину и направление оси тоннеля определяют аналитически. Полученное направление закрепляют на местности у входов в тоннель; оно служит основой для подземной разбивки, перед которой ось тоннеля провешивают на поверхности у обоих порталов.
Если входные участки тоннеля расположены на кривых, применение геометрического метода требует пробивки визирных штолен, служащих продол
жением прямолинейного участка оси тоннеля. Через эти дополнительные выработки переносят направление оси тоннеля в подземную выработку.
При более современном аналитическом способе, применяемом преимущественно в сложных топографических условиях и при трассировании городских тоннелей, направление оси тоннеля выбирают по крупномасштабному плану, составленному в системе координат, соответствующей предварительно созданной сети опорных триангуляционных и полигонометрических пунктов. По определенным графически координатам точек поворота аналитически находят все геометрические элементы трассы (длины и углы поворота линий), используемые затем для разбивки на местности.
При этом получаются более точные результаты и отпадает необходимость в создании над осью тоннеля опорных пунктов, которые могут подвергнуться осадкам во время проходки, но требуется проведение довольно значительных работ по прокладке опорной триангуляционной и полигонометрической сетей Если рельеф местности несложен, то и при аналитическом способе трассирования целесообразны разбивки и закрепление трассы тоннеля на поверхности, облегчающие составление геологического профиля, наблюдение за осадками поверхности во время подземных работ и передачу в подземные выработки направления оси тоннеля.
§ 10. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ геодезической основы
Плановой геодезической основой при строительстве тоннелей служит сеть триангуляции, опирающаяся на пункты государственной триангуляции III класса. Тоннельная триангуляция состоит из треугольников, длины сторон которых назначают в зависимости от эквивалентной длины тоннеля, определяемой по формуле
^„ = /27, (4)
где L—действительная длина тоннеля;
I — максимальное расстояние между встречными забоями.
При L3KB < 5 км длины сторон треугольников назначают в пределах от 0,5 до 4 км в зависимости от длины тоннеля. Для повышения точности сеть тоннельной триангуляции создают из треугольников, близких к равносторонним и не содержащих углов, меньших 40°; в каждом четырехугольнике, составленном из двух треугольников, предусматривают две диагонали (рис. 18). Тоннельная триангуляция, как правило, опирается на собственные базисы, располагаемые не реже чем через 6 треугольников, образующихся после отбрасывания диагоналей. В качестве базисов используют стороны сети, расположенные в направлениях, удобных для проведения точных линейных измерений.
Пункты триангуляции размещают за пределами полосы возможных осадок поверхности таким образом, чтобы от каждого входа в тоннель была обеспечена видимость не менее двух пунктов, находящихся на расстоянии более 200 м
Рис. 18. Схема триангуляции для переваль- Рис. 19. Схема триангуляции для петлевого иого тоннеля тоннеля
от входа. Следует стремиться к уменьшению числа треугольников сети между входами. Наиболее целесообразно такое размещение пунктов триангуляции при котором встречные проходки ориентируют по одной и той же стороне треугольника, так как при этом исключается влияние на сбойку осей ошибок в определении дирекционного
Рис. 20. Схема триангуляции для подводного тоннеля
угла и координат пунктов.
При строительстве петлевых тоннелей достаточно проложить сеть, жестко соединяющую припортальные пункты. Если проходка тоннеля будет осуществляться не только с порталов, но и через промежуточные входы (стволы шахт, штольни-окна), целесообразно располагать пункты по центральной системе (рис. 19).
При сооружении подводных тоннелей всегда обеспечена видимость в полосе их расположения. Базисы, как правило, прокладывают на обоих берегах водотока (рис. 20).
При неравномерном расположении нескольких входов в тоннель, у каждого из которых должен находиться опорный пункт, необходимо сгустить сеть пунктами триангуляции низшего разряда (с более короткими сторонами треугольников), так как при большой разнице в длине сторон треугольников сети точность определения положения пунктов уменьшается. При невозможности размещения пунктов триангуляции вблизи от входов у последних создают пункты основной полигонометрии. Ходы полигонометрии длиной до 2—3 км прокладывают между пунктами триангуляции по направлениям, благоприятным для измерения линий и углов. Длины сторон хода назначают от 100 до 500 м, углы поворота — не более 45°. Угловые точки основной полигонометрии закрепляют на местности не реже чем через 1 км. Передачу дирекционного угла с пунктов триангуляции на стороны хода выполняют не реже чем через каждые восемь сторон хода.
Для передачи с поверхности под землю координат и направлений необходимо, чтобы точки геодезической основы находились в непосредственной близости от входов в подземную выработку. Это может быть обеспечено с помощью ходов подходной полигонометрии, опирающихся на пункты основной полигонометрии и имеющих длину не более 300 м. Длины сторон ходов принимают равными 30—150 м.
Высотной геодезической основой при строительстве тоннелей служат ходы нивелирования II разряда, прокладываемые вдоль трассы и опирающиеся на марки и реперы высшего разряда или пункты нивелирной основы, созданной при изысканиях железнодорожной линии или другого инженерного сооружения. В состав ходов обязательно включают пункты триангуляции и полигонометрии.
До начала подземных работ нивелирование на поверхности проводят дважды в различных условиях. В процессе строительства нивелирование периодически повторяют с целью выявления возможных осадок нивелирных знаков.
§ 11. ОРИЕНТИРОВКА ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК
Ориентировка подземной выработки заключается в передаче в нее с дневной поверхности координат и дирекционного угла.
Наиболее простым способом ориентировки выработки является провешивание прямой линия, совпадающей с осью тоннеля (рис. 21), которое возможно при расположении большей части тоннеля на прямой. Если входные участки
находятся на кривых, разбивочную ось тоннеля спрямляют устройством визирных штолен. Установив теодолит в одной из точек А оси тоннеля, закрепленной во время изысканий, и ориентировав трубу на аналогичные точки В, Г, мож-
но наметить точку alt на-
Рис. 21. Ориентировка выработки провешиванием ходящуюся В ИХ створе И расположенную в выработке. По мере проходки намечают дальнейшие точки оси. Для этого теодолит устанавливают в точке alt а трубу ориентируют на пункт А, после чего переводят ее через зенит, давая искомое направление. При этом способе нет необходимости
выполнять угломерные и вычислительные работы, но точность сбойки может быть обеспечена лишь в случае короткого тоннеля, так как точность определе-
ния осевых пунктов вешением ниже, чем точность, получающаяся при прокладке ходов подземной полигонометрии (см. § 12).
При открытии фронта работ через стволы шахт ориентировку подземной геодезической основы производят обычно способом отвесов, при помощи которых точки, включенные в сеть наземной полигонометрии, проектируют на заданный подземный уровень. При глубине стволов шахт до 80 м применяют отвесы с постоянными грузами, состоящие из стальной проволоки диаметром 0,3—0,8 мм, намотанной на барабан лебедки. Груз, вес которого составляет до 60% разрывного усилия, погружают в бак с машинным маслом для гашения колебаний отвеса, вызываемых потоками воздуха в стволе.
Наиболее распространен способ соединительного треугольника (рис. 22), заключающийся в том, что на поверхности и под землей на горизонте проходки образуются треугольники, вершинами которых
служат отвесы и приствольные точки, включенные на поверхности в ход наземной полигонометрии — точка А, а под землей в ход подземной полигонометрии— точка At. Наземную приствольную точку Л, закрепленную с помощью бетонного монолита с заделанным отрезком рельса, располагают от ближайшего от-
веса на расстоянии, примерно в полтора раза большем, чем расстояние между отвесами (так, чтобы угол между направлениями на два отвеса не превышал 3°). С приствольной точки должен быть виден один из пунктов триангуляции.
Рис. 22. Ориентировка выработки через ствол шахты
Ориентировку осуществляют следующим образом.
На поверхности измеряют угол а между направлениями на два отвеса и угол <в между направлениями на один из отвесов и на пункт триангуляции, а также длины сторон а, b и с (см. рис. 22). По полученным данным аналитически находят координаты отвесов и дирекционный угол линии, их соединяющей; эти данные принимают за исходные в подземной выработке, где измеряют угол аг между направлениями на два отвеса, а также длины сторон аг, и Cj Решая подземный соединительный треугольник, находят координаты точки Лх
и вычисляют угол coj, по которому задают направление стороны М хода подземной полигонометрии.
В дальнейшем подземную геодезическую основу создают приемами подземной полигонометрии.
§ 12. ПОДЗЕМНЫЕ ПОЛИГОНОМЕТРИЯ И НИВЕЛИРОВАНИЕ
Назначением подземной полигонометрии является определение положения опорных пунктов, служащих основой для разбивки сооружения.
Полигонометрические ходы, прокладываемые вдоль подземной выработки, состоят из сторон различной длины и до сбойки выработок являются висячими. Их точность обеспечивается контрольными измерениями. При этом особое внимание следует обращать на точность угловых измерений, так как влияние ошибки передачи дирекционного угла иа поперечную ошибку геодезической основы увеличивается с увеличением длины замыкающей подземного хода. Пункты подземной полигонометрии закрепляют установкой специальных знаков.
Подземную полигонометрию делят на подходную, рабочую и основную в зависимости от длины сторон.
Подходную полигонометрию с длиной сторон 10—15 м прокладывают по криволинейным штольням для выхода из стволов шахт на трассу тоннеля.
Рабочую полигонометрию с длиной сторон 25—50 м разбивают по мере продвижения забоя выработки в виде цепочки сильно вытянутых треугольников, у которых измеряют все стороны и все углы; она служит для геодезического обеспечения проходческих работ (рис. 23).
Основная полигонометрия с длиной сторон 50—100 м представляет собой ходы, прокладываемые по точкам рабочей полигонометрии (через одну). Если основная полигонометрия не обеспечивает требуемой точности сбойки, по ее точкам прокладывают главные полигонометрические ходы с большей длиной сторон, что уменьшает среднюю квадратическую ошибку измерения углов.
При точности сбойки ±50 мм основная полигонометрия с длиной сторон 100 м обеспечивает возможность односторонней проходки на длину до 800 м. Увеличение длины сторон до 200 м создает возможность односторонней проходки на длину до 1200 м.
По мере проходки висячие полигонометрические ходы удлиняют, как правило, не более чем на 50 м. Максимально допустимое удаление забоя от последнего полигонометрического знака составляет 70 м.
Знаки подземной полигонометрии должны быть просты, прочно фиксировать вершины углов поворота ходов и одновременно служить реперами подземного нивелирования. Знаки подземной полигонометрии в штольнях закрепляют сбоку от откаточных путей закладкой бетонных монолитов, в центре которых заделывают металлический штырь с отмеченным центром, положение которого переносят по отвесу на верхняк штольневой рамы и фиксируют знаком, приспособленным для подвешивания отвеса и имеющим порядковый номер (рис. 24).
0i: HllSlIU Я IIUIIUdUHIIMUillflltX
РЦМОЧИЯ ItOJIUtUHUMIHIIflUX Глийная IIIIJIllZIlllUMIIIIIflllR
Рис. 23. Схема подземной полигонометрии
Рис. 24. Закрепление полигонометрического пункта
В бетонных сводах металлический знак для подвешивания отвеса заделывают в пробуренные отверстия диаметром 5—6 см, глубиной около 10 см. В боках тоннеля пункты подземной полигонометрии закрепляют на уровне головки рельсов, причем на высоте 0,5—1,0 м над знаком размещают устройство для консольной установки инструмента.
При проходке встречными забоями необходимо обеспечить сбойку не только в плановом, но и в высотном отношении. Высотную связь наземных и подземных нивелирных сетей осуществляют через порталы, штольни, наклонные ходы или стволы вертикальных шахт. Через горизонтальные выработки прокладывают ходы геометрического нивелирования. Передачу отметки через ствол шахты выполняют с помощью двух нивелиров, реек и прокомпарирован-ной стальной рулетки, подвешенной к шахтному копру с постоянным натяжением 10 кгс.
Одновременный отсчет, взятый двумя нивелирами по ленте и рейкам, установленным над надземным и подземным реперами, дает возможность определить отметку подземного репера (с учетом поправок на колебания температуры и компарирование ленты).
Нивелирные ходы в подземных выработках прокладывают как висячие; они совпадают с ходами подземной полигонометрии, знаки которой являются одновременно реперами. По мере продвижения забоя делают текущую нивелировку от последнего полигонометрического знака. С целью учета возможных осадок реперов нивелировку высячих ходов систематически повторяют в прямом и обратном направлениях при длине визирного луча, равной 50 м. После сбойки встречных забоев выполняют нивелировку хода между двумя реперами, отметки которых были переданы с поверхности.
§ 13. РАЗБИВКА ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК
При сооружении тоннелей особое значение имеют геодезические работы в направляющих штольнях, от правильного положения которых в плане и профиле зависит точность сбойки встречных выработок и работ по расширению сечения.
Ось выработки задают от ближайшей точки рабочей полигонометрии с помощью отвесов, последний из которых подвешивают на расстоянии не более 2 м от забоя. Каждый осевой знак на верхняках крепи, служащий для подвески отвеса, устанавливают в створе не менее трех отвесов. При этом вешение на глаз допустимо на расстоянии не более 20 м. По мере продвижения забоя в штольне закрепляют знаки подземной полигонометрии и положение точек, ранее провешенных на глаз, проверяют инструментально.
Для задания оси в прямолинейной штольне существует много способов. Проще всего стальной рулеткой отложить от полигонометрических знаков заранее вычисленные смещения знаков от оси штольни с закреплением полученных точек осевыми гвоздями, которые должны находиться в створе. По этому створу ось инструментально продолжается до забоя.
Кривые участки штолеи разбивают не по хордам, а по секущим, так как в этом случае можно увеличить длину разбивочной прямой при сохранении ее отклонений b от кривой в допустимых пределах (Ь = 10 см).
Кривая содержит (п — 2) секущих длиной
L = 4VbR~ (5)
и две концевые секущие, которые являются неполными и имеют длину, равную 0,85 длины полных (средних) секущих (рис. 25). Направление первой (неполной) секущей задают по координатам (xlt i/j) точки, находящейся на ее продолжении. Откладывая по этому направлению длину неполной секущей (0,85 L), получают положение точки А поворота. Направление второй (полной) секущей также задают по координатам (х2, у2) точки, находящейся на ее продолжении. Откладывая по этому направлению длину L полной секущей, получают положение точки В поворота секущих и т. д.
Для разбивки штольни по высоте в стойки рам забивают высотные костыли на 1 м выше проектной отметки лежня рамы или делают запилы в металлических стойках. Через пять—десять рам (но не реже чем через 10 м) такие костыли устанавливают с проверкой их отметки с помощью нивелира, чтобы избежать накопления ошибок; следующие пять — десять костылей с помощью сообщающихся сосудов — устройства из двух стеклянных трубок,соединенных резиновой трубкой.
По мере закладки полигонометрических знаков и определения
Рис. 25. Разбивка оси на кривой
их отметок исправляют высотное положение ранее установленных костылей.
Штольневые рамы в забое проходчики устанавливают по створу отвесов и продолженной линии высотных костылей на предыдущих рамах. Рамы устанавливают перпендикулярно оси выработки с соблюдением горизонтального положения верхнего и нижнего элементов. Их отклонение от проектного положения в плане и профиле не должно превышать ±2 см.
§ 14. ТОЧНОСТЬ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ
Наиболее важным итогом геодезических работ при сооружении тоннелей встречными забоями является обеспечение требуемой техническими условиями точности, сбойки (в плане ±100 мм в профиле ±50 мм). На точность сбойки влияют ошибки всех перечисленных выше геодезических операций — от триангуляции до разбивки оси подземной выработки.
Описанная методика геодезических измерений обеспечивает сбойку при проходке встречными забоями с высокой степенью точности (табл. 2).
При сооружении тоннеля полным сечением с обделкой, собираемой из
готовых элементов непосредственно у забоя, точность сбойки имеет особенно важное значение. При сбойке с нарушением приведенных допусков возникнут трудности при укладке в тоннеле рельсового пути. Поэтому, если предварительно вычисленная ошибкаq сбойки превосходит допускаемую ошибку А, проходка всем сечением должна быть своевременно прекращена и сбойке тоннеля должна предшествовать сбойка опережающей штольни. При достаточной длине штольни между обеими частями тоннеля может быть обеспечено плавное сопряжение без ущерба для последующей его эксплуатации (рис. 26).
Для железнодорожного тоннеля требуемую длину D (м) штольни, обеспечивающую возможность укладки переходного участка пути в виде S-образной кривой (радиуса 2000 м), определяют по формуле
Таблица 2
Степень точности геодезических работ, мм
Ожидаемые ошибки сбойки
Длина односторонней проходки, м
250 500 1000 2000 4000
Высотная . .
Поперечная .
18 26 38
44 54 78
D — 90(Г?-/2Д).
(6) Рис. 26. Сбойка выработок полного сечения
Глава 4
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТОННЕЛЕЙ
§ 15. ЗАДАЧИ, СОСТАВ И МЕТОДЫ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИИ
Наземные инженерные сооружения имеют контакт с земной корой только в основании, поэтому свойства основания оказывают сравнительно небольшое влияние на конструкцию и методы постройки большей их части, расположенной выше земной поверхности. Тоннели и другие подземные сооружения закладывают в толще земной коры, и их конструкции, методы и средства постройки в большой мере зависят от свойств прорезаемого горного массива. Можно сказать, что весь ход сооружения тоннеля, его стоимость, сроки выполнения определяются в основном геологическими и гидрогеологическими условиями в которых сооружается тоннель.
В связи с этим большое значение для успешного хода строительства имеют инженерно-геологические исследования района, намеченного для строительства тоннеля. Геологическая экспертиза, обобщающая результаты этих исследований, должна дать ответ на все вопросы, интересующие строителей, предусмотреть трудности, которые могут возникнуть в процессе строительства и эксплуатации тоннеля, и рекомендовать наиболее благоприятное в геологическом отношении положение трассы. Ошибки или неправильные выводы экспертизы могут весьма неблагоприятно повлиять на ход, стоимость и сроки строительства, а также на условия эксплуатации тоннеля. Например,^йри строительстве самого длинного в мире Симплонского тоннеля строители неожиданно встретили пласты трещиноватых известняков с большим дебитом подземных вод (до 1,5 м3/с), области чрезвычайно сильного горного давления и высокую температуру выработки, на 17° С превышавшую температуру, определенную геологами. Связанные с этим изменения технологии тоннельных работ в сильной степени затруднили строительство.
В программу инженерно-геологического обследования района строительства тоннеля входят следующие виды работ:
1. Изучение имеющихся литературных и картографических материалов по топографии, геологии и гидрогеологии района.
2. Проведение инженерно-геологической съемки территории строительства, заключающейся в изучении обнажений земной коры, устойчивости грунтовых масс, мощности и химического состава источников, выходящих на поверхность, характера рельефа и т. п.
3. Назначение вариантов трассы тоннеля для детальных геологоразведочных работ.
4. Детальные глубинные геологоразведочные работы и гидрогеологические исследования с лабораторным изучением физико-механических свойств горных пород и химического состава подземных вод.
Наиболее распространенным и эффективным методом глубинного исследования горного массива является ударно-вращательное бурение скважин с отбором проб через 0,5 м в слабых породах и колонковое бурение со взятием керна в скальных породах.
При длине горного тоннеля до 200 м с земной поверхности бурят семь скважин, из которых три располагают по оси тоннеля, а четыре — на двух поперечниках. При большей длине тоннеля скважины располагают вдоль его оси через 150 м и через каждые 200 м — поперечники из двух скважин для изучения поперечного строения прорезаемого тоннелем массива. Во всех случаях у каждого из порталов дополнительно размещают по одному поперечнику.
Особенно серьезного внимания требуют буровые разведочные работы для проектирования и строительства тоннелей метрополитенов. При недостаточной изученности геологического строения массива вдоль трассы тоннеля проходческие работы связаны с опасностью осадок поверхности и расположенных в полосе строительства сооружений. Поэтому количество разведочных скважин увеличивают. На участках трассы с относительно простым геологическим строением должны быть пробурены три ряда скважин через 50 м один от другого; скважины в рядах располагают через 200 м в шахматном порядке. На участках трассы со сложным геологическим строением (карсты, оползни, размывы ит. п.) необходимо бурить пять рядов скважин через 25 м один от другого с расположением скважин в рядах через 50 м в шахматном порядке. В местах расположения станционных тоннелей метрополитена бурят шесть скважин.
Глубину скважин назначают на 6 м больше глубины заложения подошвы тоннеля, а в сложных геологических условиях скважины заглубляют на 2 м в пласт устойчивых пород, залегающих ниже тоннеля.
В начальной стадии изысканий для проектирования и технико-экономического обоснования решений проекта тоннеля бурят только часть (не менее 50%) скважин с учетом сложности условий в районе расположения последнего. Окончательное положение сооружений, типы конструкций и методы производства работ устанавливают по результатам разведочного бурения, выполненного в полном объеме.
Не менее 1/3 общего числа скважин оборудуют фильтрами. Из скважин производят пробные откачки с целью определения дебита, химического состава, температуры и колебаний уровня подземных вод, а также коэффициента фильтрации горных пород.
Полученные материалы дают, как правило, достаточное представление о геологии горного массива и режиме подземных вод, но не могут дать ответ на все вопросы, интересующие строителей.
Особенно ценные данные дают исследования, проводимые в выработках, заложенных по оси тоннеля. Такими выработками являются, например, направляющие штольни, проходимые от порталов, из стволов вертикальных шахт или через штольни-«окна» (см. § 43).
В штольнях измеряют действующее горное давление, определяют механические и упругие характеристики горных пород, приток подземных вод, температуру выработки и уточняют другие необходимые для проектирования и постройки тоннеля данные.
При значительной глубине заложения тоннеля проведение детального геологического исследования усложняется, так как бурение скважин со взятием образцов при глубине более 300 м становится трудновыполнимым и требует много времени.
В этом случае приходится прибегать к геофизическим методам разведки, дающим представление о строении горного массива косвенным путем в результате измерения различных физических величин. Так, электрометрия дает возможность выполнять бурение без отбора проб, что значительно ускоряет процесс бурения. Метод электрометрии основан на учете различной величины электрического сопротивления горных пород. Применение сейсмометрии основано на измерении скорости распространения ударных волн в горном массиве по разным направлениям. При этом учитывается зависимость скорости распространения ударных волн от физиКо-механических свойств различных горных пород.
§ 16. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТОННЕЛЕЙ
В результате инженерно-геологических изысканий должны быть установлены: геологическое строение массива по трассе тоннеля, инженерно-геологическая характеристика, гидрогеологические условия и ряд общих вопросов (климатические условия, наличие строительных материалов и т. п.).
Представление о геологическом строении массива по трассе тоннеля дают продольные и поперечные геологические разрезы и ряд других графических материалов, перечисленных в технических условиях и инструкциях на производство инженерно-геологических изысканий для проектирования и строительства метрополитенов и горных железнодорожных тоннелей.
На основании изучения материалов инженерно-геологических изысканий должны быть освещены следующие вопросы, характеризующие район строительства тоннеля и прорезаемый тоннелем горный массив.
Особенности поверхности в районе строительства тоннеля. Здесь необходимо дать представление о рельефе местности, лесистости и заболоченности полосы, расположенной над будущим тоннелем, наличии и характере ближайших водоемов, возможности оползневых явлений по контактам между пластами под действием сил тяжести, грунтовых потоков и нарушений устойчивости горного массива в связи с проходкой подземных выработок, наличии карстовых явлений, связанных с растворением горных пород (гипс, ангидрит, известняк, доломит) и образованием подземных пещер, заполненных наносами или насыщенных водой, о просадках поверхности и сейсмических явлениях.
Эти сведения необходимы для решения многих инженерных задач: о поступлении в зону будущего тоннеля поверхностных вод и мероприятиях по их отводу, о преодолении участков оползней (перенос трассы в глубь массива) и карстов (обход или сооружение тоннелей-мостов), о мероприятиях по обеспечению сейсмостойкости сооружения.
Метеорология. Метеорологические данные должны содержать сведения о колебаниях температуры в районе строительства, влажности воздуха, количестве осадков, направлении и силе господствующих ветров, глубине промерзания почвы. Эти сведения необходимы для установления температуры подземной выработки, проектирования вентиляционной системы и входных участков тоннеля, подбора материалов тоннельных конструкций, обеспечивающих долговечность сооружения.
Геология. В геологическом разделе пояснительной записки должны быть освещены условия залегания и напластования горных пород, характер дислокационных явлений, физико-механические свойства горных пород.
Изучение этйх вопросов необходимо для выяснения вероятных мест повышенного притока подземных вод, характера и величины горного давления, определяющего форму и несущую способность тоннельной обделки, а также методов работ по проходке тоннеля.
Характер залегания пластов оказывает существенное влияние на условия разработки породы, величину притока воды, устойчивость горного массива и выбор рационального способа проходки. В однородных массивных породах проходка осуществляется проще, скорее и дешевле, чему способствуют большая устойчивость этих пород, однообразие способов и приемов работы. Слоистость и сланцеватость тем неблагоприятнее, чем более они выражены и чем меньше толщина слоев.
Положение пласта в пространстве (рис. 27) характеризуется углами падения и простирания. Углом п аде н и я а называют угол, составляемый плоскостью пласта с горизонтальной плоскостью, ауглом простирания 0 — угол, составляемый линией простирания с меридианом.
Наиболее благоприятным является горизонтальное залегание пластов (а = = 5 10°) при отсутствии скользящих прослоек.
В крепкой скале, сложенной из толстых пластов, можно оставлять без крепи выработки с плоской кровлей пролетом до 3—4 м. Придав кровле сводчатое очертание, можно оставлять без крепи выработки значительно больших пролетов.
Наличие наклонных пластов ухудшает условия, в которых находится тоннельное сооружение. Если тоннель проходит вкрест простирания (т. е. его ось составляет с линией простирания угол около 90°) при крутом падении пласта (а = 60 -г- 90°), то выработка находится в благоприятных условиях, так как пласт ослабляется сравнительно незначительно, отдельные пласты устойчивы 30
Р..с. 27. Элементы залегания пласта Рис. 28. Выработки вкрест простирания
породы
пласта
независимо один от другого и раскрытие выработки возможно на довольно большом протяжении, особенно если имеется связь между пластами (рис. 28,а).
При пологом падении пласта (рис. 28,6) выработка пересекает его на большем протяжении и более вероятно образование местных вывалов.
Значительно менее благоприятен случай совпадения линии простирания с осью выработки (рис. 29). При этом пласты породы полностью подрезаются выработкой, и, если между пластами отсутствует надежная связь, неизбежно выпадание из стен и кровли выработки глыб, отделенных трещинами. В этих условиях рекомендуется ограничить длину раскрываемой выработки и разрабатывать ее отдельными кольцами.
Крутое положение пластов способствует проникновению воды к выработке, особенно если угол между осью тоннеля и линией простирания невелик.
Совершенно иными бывают поведение горных пород и режим подземных вод в местах дислокаций земной коры, т. е. в местах тектонических изменений. Их влияние на величину горного давления и притока воды будет рассмотрено ниже при изложении вопроса о прогнозе горного давления.
Физико-механические свойства горных пород чрезвычайно разнообразны. Свойства сыпучих и пластичных пород изучаются в механике грунтов, плывунные породы можно рассматривать как тяжелые жидкости. В последующем изложены основные свойства лишь скальных пород, в которых наиболее часто
jpnc. 29. Выработка по простиранию пласта
сооружают тоннели.
Прочность породы на сжатие зависит от минералогического состава, структуры и пористости, рода цемента между зернами и степени выветрелости. Наиболее прочны кристаллические иевыветрелые породы с равномерной мелкозернистой структурой, зерна которых спаяны или соединены кремнеземнистым Бементом. Трещины в значительной степени ослабляют сопротивление породы разрушению. Поэтому различают прочность породы (кубиковая прочность) и прочность горного массива.
Испытания на сжатие делают в условиях одноосного напряженного состояния. При невозможности поперечной деформации сопротивление породы силь-возрастает. Под большим всесторонним давлением горные породы приобретают пластические свойства, вторые, однако, находятся в скрытом виде и могут проявиться, если порода получит возможность свободного расширения в каком-либо одном направлении. Глубины, на которых может возникнуть давление. необходимое для пластического преобразования горных пород, еще не достигнуты.
Сопротивление горных пород растяжению значительно меньше сопротивления сжатию и составляет ст него 3—5%. Наименьшее сопротивление разры-5у оказывают породы крупнокристаллической струк-
Горные породы не подчиняются закону Гука, т. е. между их относительными деформациями и соответствующими напряжениями существует зависимость более сложная, чем линейная. Однако при сравнительно невысоких напряжениях, с которыми приходится иметь дело при сооружении тоннелей, считают возможным рассматривать породы как линейно деформируемые, т. е. обладающие постоянным модулем общей деформации (£<>). Для различных пород модуль общей деформации изменяется в весьма широких пределах, коэффициент поперечной деформации ц.о изменяется от 0,1 до 0,45. Обе характеристики могут быть определены лабораторным путем, однако их использование при статическом расчете конструкций подземных сооружений, работающих совместно с окружающими породами, затруднено, так как свойства породы, определенные при испытании небольшого образца, как правило, сильно отличаются от аналогичных свойств породного массива, сложенного из отдельных пластов и ослабленного трещинами.
Твердость породы определяет скорость бурения шпуров при буро-взрывных работах. Она может быть охарактеризована с помощью шкалы твердости Мооса лишь ориентировочно, так как порода состоит из минералов с различными свойствами. Наиболее целесообразно оценивать твердость по буримости, т. е. по времени бурения 1 пог. м стандартного шпура, как это принято в действующей классификации горных пород по разрабатываемостн (см. §48).
Большое влияние на прочность, устойчивость и водопроницаемость пород оказывает их трещиноватость. В соответствии со СНиП П-Д. 3-68 степень трещиноватости характеризуется расстоянием между трещинами и объемом блоков породы, образующихся в результате их пересечения. По этим признакам породы делят на три категории (табл. 3).
Таблица 3
Степень трещиноватости горных пород
Породы Расстояние между трещинами, м Объем блоков, м8
Слабо трещиноватые Трещиноватые Сильно трещиноватые 0,5 0,25—0,5 0,25 о,1 0,01—0,1 0,01
При более частых трещинах, расположенных в нескольких направлениях, породы считают раздробленными.
Слоистость ведет к понижению устойчивости горного массива вследствие ослабления связи по швам (в особенности если они заполнены веществом, размягчающимся под действием воды) и возникновению одностороннего давления на тоннельные конструкции.
Сопротивление пород действию воды, атмосферных агентов (топливные газы, низкая температура и т. п.) и микроорганизмов характеризуется растворимостью, размягчаемостью и погодостойкостью.
К сильно растворимым породам относят химические осадочные породы (гипс, ангидрит). Растворимы, но в меньшей степени осадочные карбонизированные породы (известняк, доломит, мергель). Растворимость породы имеет большое значение для решения вопроса о возможности проведения дренажных мероприятий за тоннельной обделкой.
Размягчаемостью называют отношение прочности на сжатие образца, насыщенного водой, к прочности воздушно-сухого образца. Кристаллические не-выветривающнеся породы мало поддаются размягчению. Их размягчаемость редко бывает ниже 0,9. Размягчаемость является признаком сильной выветре-лости и особенно велика у глинистых пород.
Морозостойкими являются породы, поры которых заполнены водой не более чем на 70—80% (с учетом возможности их неравномерного распределения, так как вода при замерзании расширяется примерно на 10%). Наличие частиц слюды понижает морозостойкость.
Условием погодостойкости, позволяющей оставить выработку без обделки, является равномерность и мелкозернистость сложения, правильное распределение пор, твердость, морозостойкость и неразмягчаемость цемента (лучший цемент — кремнеземистый), отсутствие частиц слюды.
Подземные воды. Вода является одним из главных препятствий при постройке подземных сооружений. Большой приток воды в выработку при работе под уклон или через ствол шахты требует устройства мощных насосных установок, прекращение работы которых грозит затоплением выработки. Прорыв крупных подземных источников может вызвать полное прекращение работ до иссякания этих источников или вынудить к изменению трассы с целью обхода места прорыва.
Выщелачивание и размягчение пород понижает их устойчивость, увеличивает пластичность и создает предпосылки для сдвигов и пучения.
Агрессивные воды разрушают бетон обделки и требуют применения плотных бетонов специальных составов. Агрессивность воды по отношению к бетону устанавливают сопоставлением результатов ее химического анализа с нормами агрессивности, которые учитывают массивность конструкции, напор воды, проницаемость окружающих пород и вид цемента. В наиболее неблагоприятных условиях находятся тонкостенные конструкции из бетона на обычном портландцементе при напоре воды в породах с большими коэффициентами фильтрации.
Агрессивными являются мягкие воды с жесткостью менее 2 мг-экв, воды сводородным показателем pH <7 (кислые растворы), а также воды, содержащие свободную углекислоту, ионы сульфатов и магния в количествах, превышающих нормативные.
Вымывание водой, притекающей к тоннелю, частиц окружающей породы ведет к ее разрыхлению и осадкам с возрастанием горного давления. Особенно сильно увеличивается горное давление в результате пучения глинистых пород и набухания ангидрита, превращающегося под действием воды в гипс.
Высокая влажность тоннеля отрицательно сказывается на условиях его эксплуатации, вызывая уменьшение коэффициента сцепления и ограничение силы тяги локомотива. Особенно вредно пропитывание обделки водой в при-портальных, подверженных обледенению участках и в случае применения паровой тяги. Растворение в воде продуктов сгорания, содержащих сернистый газ, ведет к образованию серной кислоты, интенсивному разрушению цементного раствора и коррозии всех металлических частей оборудования.
Образование на своде наледей, достигающих значительных размеров,затрудняет обеспечение безопасности движения и требует выполнения большого объема работ по скалыванию льда, при которых разрушается тоннельная обделка.
Поэтому самое серьезное внимание должно быть уделено выяснению всех вопросов, связанных с подземными водами в районе тоннеля. Необходимо иметь представление о наличии и глубине залегания водных горизонтов (напорных и свободных), области питания источников, поступающих в тоннель, наличии связи с поверхностью и величине водосборного бассейна, о химическом составе и температуре воды, скорости ее движения и коэффициенте фильтрации, наконец, об ожидаемом дебите подземных вод.
История тоннелестроения знает случаи исключительно больших притоков. Так, приток воды в тоннеле Монт д’Ор достигал 10 000 л/с (приток воды 30 л/с уже считают большим). Следует отметить, что крупные, но непродолжительные притоки не имеют особого значения. Необходимо учесть величину и распределение по длине выработки установившегося притока и предусмотреть возможность прорывов воды из подземных резервуаров (например, из карстовых пещер).
Существенное значение для разработки мероприятий по защите тоннеля от подземных вод имеет его положение относительно слагающих горный массив пластов. Поступления воды к тоннелю следует ожидать во всех случаях, когда он находится ниже горизонта подземных вод и окружен водопроницаемыми или 2 Зак.1207 33
трещиноватыми породами. Однако и при расположении тоннеля в водонепроницаемых породах следует учитывать возможные нарушения напластований в результате дислокационных явлений (гребни и впадины крутых складок, сбросы» сдвиги и пр).
Подземные газы. Серьезного внимания требуют подземные газы, наличие которых в атмосфере выработки представляет опасность для здоровья работа-
ющих.
Углекислый газ не ядовит, но при повышенном его содержании в воздухе уменьшается количество кислорода. Поэтому допускается его содержание не более 0,5% по объему. Углекислый газ значительно тяжелее воздуха и опасен при внезапном прорыве большого его количества, например из карстовой пещеры. Появления углекислого газа следует ожидать в вулканических районах, вблизи угольных залежей, при наличии сбросовых трещин.
В районе залегания угля, каменной соли, битуминозных пород, вблизи месторождений нефти следует ожидать поступления в выработку метана (рудничный газ). Метан почти в два раза легче воздуха и скапливается в верхней части выработки. Он не имеет цвета и запаха и представляет серьезную опасность, так как при концентрации от 5,5 до 14 — 16% образует гремучую смесь (взрыв этой смеси имеет наибольшую силу при концентрации метана 9,5%).
Содержание в воздухе метана можно обнаружить по изменению цвета пламени предохранительной лампы. При концентрации метана более 1 %'выработку переводят на газовый режим со значительным увеличением объема вентиляции и принятием мер против искрообразования (переход от огневого взрывания к электрическому, замена контактных электровозов аккумуляторными и т. п.).
Реже встречается сероводород, который ядовит, образует с воздухом смесь при концентрации 6%, но серьезной опасности не представляет, так как обладает резким запахом, по которому его легко обнаружить. Сероводород обычно поступает в выработку из трещин вместе с подземными водами и заполняет всю выработку, так как не на много тяжелее воздуха.
Температура подземной выработки. По мере заглубления подземной выработки температура в ней возрастает. Это сильно отражается на производительности труда рабочих. В сухой выработке возможна работа при температуре до 45 — 50° С, во влажной — при температуре не выше 40° С, но при условии усиленной вентиляции. Для своевременной разработки мероприятий по охлаждению выработки и обеспечению нормальных условий труда рабочих необходим прогноз возможной температуры на глубине заложения тоннеля.
Сезонные колебания температуры на поверхности распространяются на сравнительно небольшую глубину, зависящую от климата местности. Для экваториальных стран эта глубина составляет 6 — Юм, для стран континентальных она возрастает до 30 — 35 м. Ниже уровня постоянной температуры происхо-
дит равномерное нарастание температуры по мере заглубления. Глубина, соответствующая повышению температуры на 1° С, носит название геотермической ступени. Под равнинами она равна приблизительно 33 м и называется нормальной геотермической ступенью под долинами геотермическая ступень уменьшается от 33 до 20 м, под горными хребтами возрастает от 33 до 70 м (рис. 30).
На величину геотермической ступени влияют многочисленные факторы. Увеличение геотермической ступени связано с действием факторов, вызывающих охлаждение горного массива. К таким факторам относятся крутое падение пластов, плотность и
Рис. 30. Геоизотермы в горном массиве
влажность пород, увеличивающие их теплопроводность, нисходящие источники воды, имеющей пониженную температуру, водоемы и ледники вблизи выработки. Восходящие источники воды, химические процессы, вулканические явления, вызывающие нагревание горного массива, способствуют уменьшению геометрической ступени.
В среднем в горном массиве принимают величину геотермической ступени равной 45 м, однако в конкретных условиях необходим учет всех перечисленных факторов с использованием результатов многолетних измерений температуры в стволах шахт, буровых скважинах и подземных выработках, расположенных в районе строитель
Рнс. 31. Тоннель в зоне сброса
ства тоннеля.
Ниже глубины, на которой влияние рельефа местности перестает сказываться, расстояние между геоизотермами, т. е. линиями, соединяющими точки массива с одинаковой температурой, равно нормальной геотермической ступени, т. е. 33 м, так же как под равнинами.
Приближенно температура подземной выработки fn может быть определена путем последовательного перехода от средней годовой температуры долины к температуре воздуха, а затем к температуре почвы на высоте ff0 перевала и, наконец, на заданной глубине Я (см. рис. 30).
Яо 200
Н
45
(7)
где 200 — величина аэротермической ступени, м, соответствующей понижению температуры воздуха на 1° С;
Д — поправка на переход от температуры воздуха к температуре почвы, зависящая от высоты перевала над уровнем моря (при высоте над уровнем моря от 0 до 2,5 км величин? Д изменяется в пределах от 0,8 до 3° С).
Прогноз горного давления. Решающим фактором при выборе формы, размеров тоннельной обделки и способа производства работ является горное давление, т. е. давление окружающих тоннель горных пород.
В зависимости от свойств пород возможны различные виды горного давления. В монолитных скальных породах обычно действует вертикальное давление, в трещиноватых и слоистых скальных породах оно нередко дополняется несимметричным боковым давлением, особенно при малых углах между осью тоннеля и линией простирания пласта. В сыпучих и пластичных породах, в которых возможно образование поверхностей сползания за стенами обделки, на конструкцию действует вертикальное и симметричное боковое давление, а иногда также давление выпирания снизу. В плывунах, слабых глинисто-песчаных грунтах, а также в породах, склонных к увеличению объема (пучению), проявляется всестороннее давление.
Перечисленные виды горного давления действуют в плоскости поперечного сечения тоннеля. При расположении тоннеля вкрест простирания крутых пластов и слабой связи между последними возможно появление усилия, направленного вдоль оси тоннеля. В припортальных участках такое усилие может нарушить связь между кольцами тоннельной обделки.
Большое значение имеет анализ дислокационных явлений в горном массиве. Перегибы и сдвиги пластов при горообразовательных процессах связаны с возникновением зон разрушения, в которых следует ожидать значительного увеличения горного давления и повышенного притока подземных вод.
Это относится, например, к сбросам (рис. 31), где в месте взаимного смещения по вертикали двух участков земной коры образуется зона разрушенной породы, создающей сильное давление.
При крутом перегибе пласта его наружные слои разрываются, а внутренние подвергаются раздроблению. Поэтому при наличии флексур чередуются зоны разрыхленной и раздробленной, но более плотной породы. Как указывалось ранее, большое значение имеет положение тоннеля относительно линии простирания пласта. Часто встречающееся на практике расположение тоннеля вкрест простирания антиклинальной складки является благоприятным в отношении горного давления, так как в этом случае нарушение пласта выработкой относительно невелико.
Расположение тоннеля вдоль простирания отрогов антиклинальной складки, характерное для косогорных участков (см. рис. 29), неблагоприятно. В этом случае пласт породы подрезается тоннелем на значительном протяжении, вследствие чего обделка испытывает повышенное несимметричное давление.
Анализ перечисленных факторов дает основания для прогноза давления, т. е. для выводов о качественной стороне вопроса — примерном распределении горного давления по контуру тоннельной обделки и по длине тоннеля, а также об участках вероятного возрастания давления, связанного с дислокационными явлениями.
Данные, полученные в результате инженерно-геологических изысканий, создают лишь общую картину строения горного массива, прорезаемого тоннелем, и примерное представление о режиме подземных вод. На основании этих данных проектируют тоннельные конструкции и выбирают методы производства работ по их сооружению.
В процессе проходки выявляются дополнительные свойства горных пород, особенности их поведения в забое и кровле выработки, водоносность вскрытых пластов и источников, выделение газов и т. п. Эти данные позволяют внести коррективы в технологический процесс производства работ и могут быть использованы при проектировании других подземных сооружений в аналогичных условиях. Для получения таких данных в подземных выработках в соответствии с действующими инструкциями ведут систематические инженерно-геологические наблюдения.
Глава 5
ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ
§ 17. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ВОКРУГ ПОДЗЕМНОЙ выработки
До проведения выработки горный массив находится в состоянии устойчивого равновесия и его напряженное состояние определяется в общем случае силами тяжести горных пород, а также трудноучитываемыми тектоническими и температурными факторами.
В простейшем случае горизонтального напластования осадочных пород без тектонических и температурных изменений в горном массиве действует давление, величина вертикальной составляющей которого av определяется весом столба породы, расположенной выше рассматриваемой горизонтальной площадки, а величина горизонтальной составляющей ах равна некоторой доле вертикального давления, т. е.
[ои = = £сти>
где yt и ht — объемный вес и толщина пластов породы;
£ — коэффициент бокового давления породы.
Породы, слагающие горный массив, можно рассматривать как линейно-де-формируемые и, следовательно, использовать для определения их напряженного состояния методы теории упругости. Такое допущение является вполне обоснованным не только для скальных, но и для пластичных пород, так как при изменении давления на породу в сравнительно небольших пределах (от первоначального давления до давления, установившегося после закрепления выработки) между напряжением и деформациями существует линейная зависимость.
В этом случае величина коэффициента £ бокового давления может быть выражена через коэффициент поперечной деформации р0:
£ = -±«_.
I—Цо
Применение методов теории упругости к исследованию напряженного состояния вокруг подземной выработки позволило сделать некоторые важные выводы.
Раскрытие подземной выработки связано с удалением из нее породы, которая воспринимала давление пород, залегающих непосредственно над выработкой, и предотвращала смещения частиц породы на ее контуре. В связи с этим вокруг выработки возникает концентрация напряжений: стены выработки подвергаются повышенному давлению, а в кровле возникают растягивгкщие напряжения, достигающие иногда значительных размеров.
Переход от первоначального напряженного состояния (всестороннее сжатие) к двухосному (вследствие снятия напряжений по контуру выработки) сопровождается возникновением деформаций окружающих пород.
Рис. 32 дает представление о распределении главных напряжений вокруг квадратного отверстия в горном массиве. Изолинии получены в результате исследования концентрации напряжений вокруг вырезов в упругих изотропных пластинках. Около линий выписаны коэффициенты концентрации напряжений, характеризующие изменение первоначального напряженного состояния.
Из рассмотрения рис. 32 можно сделать следующие выводы:
наличие первоначального бокового давления уменьшает концентрацию напряжений и, что особенно важно, растягивающие напряжения в кровле выработки;
Рис. 32. Изолинии главных напряжений вокруг квадратной выработки при одноосном (а) и двухосном (б) сжатии
в местах перегибов контура выработки возникают большие концентрации напряжений (коэффициент концентрации в углу теоретически равен бесконечности), вследствие чего неизбежно появление зон пластических деформаций. Поэтому при выборе формы выработки целесообразно в ее углах устраивать закругления, обеспечивающие снижение коэффициента концентрации, или переходить к плавному очертанию (эллипс, круг).
Более подъемистые выработки благоприятнее выработок кругового очертания. Так, если при 5 = 0,25 напряжения в середине кровли круговой выработки составляют 0,26 р, то в эллиптической выработке с отношением высоты к пролету, равным 1,5, растягивающие напряжения отсутствуют.
Эго позволяет сделать вывод, что подковообразное очертание выработки более выгодно в статическом отношении, чем круговое. Теоретическое решение для этого более сложного случая отсутствует. Представление о распределении напряжений по контуру выработки подковообразного очертания дает эпюра (рис. 33), полученная оптическим методом при £ = 0,25. Оно является весьма благоприятным. Лишь в плоском основании имеются небольшие растягивающие напряжения. Остальной контур сжат.
Изложенные результаты исследований, полученные методами теории упругости, позволяют оценить характер изменений напряженного состояния вокруг
незакрепленной выработки. Наличие крепи, ограни» чивающей деформации контура выработки, улучшает напряженное состояние окружающих пород.
В связи с этим значительный интерес представляют работы, основанные на рассмотрении совместной работы тоннельной обделки и окружающей ее упругой среды. Так, С. А. Орловым получено решение задачи о напряженном состоянии весомой упругой среды с закрепленным круговым отверстием, позволяющее определить контактные напряжения между обделкой и горным массивом.
Расчет показывает, что наличие обделки уменьшает концентрацию напряжений в стенах выработки. Следует отметить, что полученное решение является чисто теоретическим, так как предполагает, что кольцо, поддерживающее контур выработки, установлено и плотно прижато к породе до возникновения в ней иеупругих деформаций. В действительности обделка сооружается в выработке, иоитур которой уже подвергся пластическим деформациям в результате концентрации напряжений.
Рис. 33. Распределение напряжений по контуру сводчатой выработки
Рис. 34. Напряженное состояние породы вокруг подземной выработки
выработки, расположенной
Результаты расчета, полученные для незакрепленной выработки методами теории упругости, правильно отражают напряженное состояние окружающих пород, если они нигде не испытывают пластических деформаций. В этом случае подземная выработка является вполне устойчивой и может быть оставлена без тоннельной обделки, если она не требуется для защиты породы от разрушения или для придания выработке правильной формы.
Однако в общем случае в результате концентрации напряжений прочность породы, ослабленной трещинами н лишенной поддержки изнутри выработки, оказывается превзойденной, и в наиболее напряженных точках контура (рис. 34) начинается разрушение.
Первоначально упругий прогиб кровли
на глубине Н, сопровождается образованием трещин 1 и 2 в растянутой зоне, которые постепенно распространяются в глубь горного массива. Одновременно происходит деформация перегруженных стен выработки, проявляющаяся по-разному в различных породах.
В хрупких породах концентрация напряжений в стенах иногда достигает значительной величины. В нетрещиноватых породах она может вызвать так называемое «стреляние» (отделение от стен линз породы толщиной до 10 см и площадью до 2 м2), которое сопровождается сильным звуком, похожим на выстрел. «Стреляние» характерно для тоннелей, расположенных на больших глубинах, однако иногда оно происходит и на небольшой глубине, где прочность стен не могла быть превзойдена в результате концентрации напряжений. Это объясняется наличием в породе больших тектонических или температурных напряжений
В мягких породах по мере продвижения забоя происходит разрушение стен, и вертикальное напряжение на их гранях падает почти до нуля (см. левую часть рнс. 34) с перемещением зоны повышенных напряжений в глубь горного массива; наличие крепи, поддерживающей стены, сохраняет часть р0 их несущей способности (см. правую часть рис. 34). Значительные деформации стен вызывают дальнейшее развитие трещин в окружающих породах и увеличение прогиба кровли.
Если контур не поддержан временной крепью, происходит выпадание глыб разрушенной породы с увеличением отношения высоты выработки к пролету до тех пор, пока сечение выработки не примет форму устойчивого равновесия. Такой формой является сводчатое очертание, характерное для пещер естественного происхождения. Окружающие выработку породы приспосабливаются к изменившимся условиям, и силовые линии главных сжимающих напряжений, первоначально бывшие вертикальными, обтекают выработку, сгущаясь вблизи от нее вследствие концентрации напряжений в стенах.
В случае закрепления выработки на временную крепь или обделку тоннеля будет действовать только вес разрыхленной породы (вывала), отделившейся от образовавшегося над выработкой'свода естественного равновесия, называемого также сводом давления.
Таким образом, давление пород на подземную конструкцию — горное давление — не зависит, как правило, от глубины заложения выработки. Это обстоятельство является исключительно важным, так как дает возможность сооружать на значительных глубинах сравнительно легкие тоннельные обделки сводчатого очертания.
Только в случае расположения выработок на небольшой глубине обрушение нарушенных проходкой пород может распространяться до поверхности с осадкой последней. В этом случае давление на подземную конструкцию определяется полным весом столба вышерасположенной породы.
Своевременная постановка крепи ограничивает остаточные деформации контура выработки и способствует сохранению несущей способности горных пород. При этом чем более жесткой является крепь и чем тщательнее она прижата к контуру выработки, тем быстрее прекращается развитие давления на подземную конструкцию. Можно сказать, что главным условием успешной проходки подземной выработки является сохранение несущей способности окружающих горных пород и использование их как конструктивного элемента.
Несвоевременная постановка крепи и применение крепей податливых конструкций способствуют развитию остаточных деформаций в кровле выработки, образованию свода давления и отделению от него вывала породы, вес которого передается на конструкцию.
Существующие теории горного давления рассматривают случай полного развития свода давления, т. е. не учитывают положительной роли временной крепи.
§ 18. ТЕОРИИ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ
Проблема аналитического определения горного давления, действующего на конструкции подземных сооружений, исключительно сложна вследствие многообразия природных и производственных факторов, влияющих на его величину и характер распределения. Существует много различных теорий горного давления, основанных на весьма разнообразных предпосылках и поэтому дающих удовлетворительные результаты в весьма узких пределах, соответствующих законности этих предпосылок.
Наибольшее значение для практики имеют теории, базирующиеся на предположении об образовании над выработкой свода естественного равновесия в соответствии с описанным выше процессом изменения напряженного состояния вокруг выработки.
Вертикальное горное давление создается весом вывала породы, отделившегося от этого свода.
В практике проектирования в Советском Союзе распространена теория проф. М. М. Протодьяконова, предложенная им для широкого диапазона пород — от слабых до крепких скальных. В качестве объединяющей их характеристики в этой теори I принят коэффициент f крепости, являющийся кажущимся коэффициентом трения, т. е. тангенсом угла <р внутреннего трения, определенного с учетом сцепления с между частицами породы. Кажущийся коэффициент трения равен отношению касательного т и нормального а напряжений на контакте между частицами породы в момент предельного равновесия, т. е.
f=tg5_-L=«!£S±£_t(!,,+JL, 0 0 0
где <р — действительный угол внутреннего трения породы.
Из рассмотрения общего выражения для f (для связных пород) можно сделать вывод, что в сыпучих породах (с = 0) он равен tg <р.
В скальных породах истинное сцепление с определяется силами молекулярного сцепления. В этом случае проф. М. М. Протодьяконов рекомендует определять коэффициент крепости породы в зависимости от ее Кубиковой прочности 7? (кгс/см®) на раздробление:
f = —. ' 100?
На основании наблюдений за поведением крепей и обобщения обширного опыта проведения горных выработок проф. М. М. Протодьяконовым предложена классификация пород по крепости (см. СНиП Ш-Д. 8-62). В сокращенном виде эта классификация приведена в табл. 4. В соответствии с ней породы делятся на десять категорий (от I до X), для которых коэффициент крепости изменяется от 20 до 0,1.
Таблица 4
Характеристика пород
(по М. М. Протодьяконов у)
• i --ггорнв ТОД Породы Коэффициент 1 крепости породы Объемный вес у, тс/м*
1 Наиболее крепкие, плотные и вязкие кварциты и базальты, исключительно крепкие другие породы 20 2,8—3,0
:1 Очень крепкие граниты, кварцевый порфир, кремнистый сланец, менее крепкие, чем указано выше, кварциты, самые крепкие песчаники и известняки 15 2,6—2,7
I Плотные граниты, очень крепкие песчаники и известняки, крепкий конгломерат 10 2,5—2,6
7: 1а Крепкие известняки, песчаники и мрамор, некрепкий гранит, доломиты 8 2,5
Обыкновенный песчаник 6 2,4
Песчанистые сланцы, сланцеватые песчаники . . . 5 2,5
\ Крепкий глинистый сланец, некрепкие песчаник и известняк, мягкий конгломерат 4 2,8
\ а Разнообразные некрепкие сланцы, плотный мергель 3 2,5
\ 1 Via Мягкие сланец, известняк, мел. гипс, разрушенный песчаник, обыкновенный мергель 2 2,4
Разрушенный сланец, отвердевшая глина 1,5 1,8-2,0
\ 11 Плотная глина, глинистый грунт 1 1,8
VII.-, Легкая песчанистая глина, лёсс 0,8 1,6
v: 11 Легкий суглинок, сырой песок 0,6 1,5
IX Песок, мелкий гравий 0,5 1,7
X Плывуны, разжиженный лёсс и другие грунты (7 = 0,1 =0,3) 0,3 1,5—1,8
Принятие в качестве универсальной характеристики коэффициента f кре-тссти породы эквивалентно отождествлению всех пород с сыпучими телами, имеющими условный угол внутреннего трения
(p = arctgf.
(8)
В сыпучих телах в стенах выработки образуются плоскости сползания, на-
ьлоненные под утлом ^45° — к веРтикали (Рис- 35). Вследствие этого расширяется зона нарушения окружающих выработку горных пород.
На уровне верха обделки пролет этой зоны
B = 6 + 2Atg(45°— > (9)
где о — пролет выработки с учетом перебора, принимаемого в зависимости от метода разработки породы в пределах от 5 до 15 см с каждой стороны выработки (большие значения перебора соответствуют применению взрывного способа работ);
— высота выработки.
Над выработкой и призмами сползания образуется вывал, верхняя граница которого носит название свода давления.
Выше свода давления находится несущий свод, “счность которого должна быть достаточной для тт.'о, чтобы выдержать давление вышележащих бо-дее слабых пород.
Свод давления (см. рис. 35), рассматриваемый ьак тонкая арка, составленная из частиц сыпучего тела, может находиться в равновесии под действием
ггттт iTT7~HTl р
Рис. 35. Свод давления по М. М. Протодьяконову
вертикальной нагрузки р, принимаемой равномерно распределенной, при совпадении кривой давления с осью свода. Очевидно, что при принятой нагрузке свод давления должен быть очерчен по квадратной параболе.
Условием работы свода на центральное сжатие являются уравнения:
ZMA = 0;
Ту-^- = 0.
2
Распор свода
2у 8ЛХ
Условием устойчивости пят свода от сдвига служит неравенство
2 '
Если ввести величину запаса устойчивости пят свода Д = xhlt пропорциональную высоте свода давления, получим:
Л—Т = т/г1;
2
х==рв_/±
2 \ 4ftJ /
Высота свода давления, образующегося над выработкой, определяется из условия максимума запаса устойчивости пят свода, чему соответствует равенство
-^- = 0
dhl
или
РВ / fl I В \ _ Q
2 \ Л? 2й? J
Отсюда высота свода давления
(Ю)
Исследуя вторую произвольную при нетрудно убедиться,
что ^2<0, т. е. полученная высота свода давления действительно соответствует максимуму Д.
Интенсивность q вертикального горного давления по теории М. М. Прото-дьяконова определяется как произведение ординаты квадратной параболы на объемный вес пород, т. е.
Ч = V (Л1 — у).
Как видно из приведенного вывода, формула (10) дает значение высоты свода давления, образующегося над незакрепленной выработкой и, следовательно, максимальную интенсивность горного давления, соответствующую гипотезе сводообразования. К недостаткам формулы проф. М. М. Протодьяконова относятся: прямолинейная зависимость высоты свода от пролета выработки, тогда как в действительности в малых выработках давление падает быстрее уменьшения пролета; невозможность применения формулы в неоднородных напластованиях; трудность количественной оценки коэффициента крепости породы, который должен приниматься с учетом степени трещиноватости и обводненности породы.
В реальных условиях горное давление зависит от обводненности кровли, жесткости крепи, продолжительности периода от раскрытия выработки до уста-42
новкн крепи, тщательности крепежных работ, времени пребывания выработки на временной крепи до устройства постоянной обделки и ряда других факторов.
В этом смысле можно говорить о возможности влияния на процесс развития и окончательную величину горного давления путем рациональной организации проходческих работ.
Условием возможности применения формулы (10) является наличие над выработкой достаточно мощного несущего свода, способного выдержать нагрузку от веса вышерасположенных слабых пород. Практически считают возможным пользоваться формулой (10), если толщина несущего свода, отсчитываемая от дневной поверхности или от низа пласта слабых пород, равна или больше высоты свода давления. В сомнительных случаях (выработки больших пролетов, значительная толщина слабых пород над несущим сводом) прочность несущего свода должна быть проверена расчетом. При недсстаточной прочности несущего свода горное давление на тоннельную обделку определяется полным весом вышележащего столба горных пород.
В начальной стадии проектирования величину коэффициента крепости породы можно принимать по табл. 4. При детальном проектировании рекомендуется определять коэффициент крепости или непосредственно горное давление одним из экспериментальных методов, изложенных ниже (см. § 19).
Теория проф. М. М. Протодьяконова основана на предположении, что свод давления, образующийся над выработкой, располагается в толще однородных пород. В действительности скальные породы, в которых наиболее часто сооружаются тоннели, как правило, являются более или менее трещиноватыми л могут рассматриваться как однородные в исключительных случаях.
Исследования ЦНИИСа Минтрансстроя показали, что не только интенсивность, но и характер распределения горного давления по контуру выработки в значительной степени зависят от степени трещиноватости породы и расположения трещин в пространстве относительно оси тоннеля.
Лишь в раздробленных скальных породах горное давление проявляется, как в сыпучей среде, т. е. действует и вертикально, и горизонтально. В остальных случаях (см. табл. 3) возникает несимметричное горное давление.
В глинистых породах, представляющих собой грунтовую массу, образование выработки вызывает длительные гидродинамические процессы. Первоначальное давление, снятое по контуру выработки при ее раскрытии, заменяется капиллярным давлением воды, содержащейся в порах грунта, которое поддерживает равновесие породы. Однако при этом в сторону выработки начинает действовать гидродинамическое давление, постепенно вызывающее падение капиллярного давления воды и набухание глины. Поэтому1- необходимо считаться с возможностью восстановления первоначального напряженного состояния вокруг тоннельной обделки.
Результаты измерений, проведенных ЦНИИСом, показали, что горное давление в глинах значительно превышает давление, соответствующее теории сводообразования, хотя и не достигает величины, равной весу всего столба пород, расположенных над тоннелем. В связи с этим при заложении тоннеля в глинах, а также в особо сложных геологических и гидрогеологических условиях окончательное горное давление целесообразно определять на основе исследований, проведенных в данных или аналогичных условиях.
Оценка горного давления по теории М. М. Протодьяконова в этих случаях возможна лишь при расчете временной крепи, поддерживающей контур выработки до возведения постоянной обделки. При этом необходимо учитывать, что интенсивность давления является функцией времени и, если период пребывания выработки на временной крепи непродолжителен, горное давление не успеет достигнуть максимальной интенсивности, определяемой по формуле (10).
При проходке двух параллельных выработок (рис. 36) следует располагать их на таком расстоянии L друг от друга, чтобы своды давления отдельных выработок не пересекались, а ненарушенный массив породы между выработками (целик) мог бы надежно выдержать вес столба породы шириной L. В противном
Рис. 36. Горное давление при параллельных выработках
1 i < 'П
А
Рис. 37. Давление в подошве выработки
случае над выработками возможно образование общего свода с соответствующим увеличением вертикальной нагрузки.
В слабых породах, кроме вертикального и бокового давления, возможно давление в подошве снизу вверх (так называемое дутье).
Причиной дутья может быть увеличение объема породы под влиянием химических или молекулярных воздействий или выпирание породы из-под стен обделки. Явление выпирания проанализировано проф. П. М. Цимбаревичем, предложившим методику определения величины давления выпирания.
Под действием активной нагрузки, передающейся на свод, и веса конструкции в подошвах стен возникают напряжения, среднее значение которых равно q (рис. 37). За пределами обделки в том же уровне действует давление qB. Если вертикальное давление определяется с учетом сводообразования, то qB > q. Можно считать, что в плоскости подошвы стен действует давление q0. Если расчет обделки ведется на полный столб породы, напряжение под стенами будет больше qa и в расчет лучше вводить q.
Система вертикальных напряжений, действующих в уровне подошвы стен, вызывает активное боковое давление ра, стремящееся сдвинуть частицы грунта, расположенные по вертикали О А, в сторону выработки. Этой тенденции противодействует отпор породы рп, действующий в противоположном направлении. При малых заглублениях относительно подошвы стен преобладает активное давление и частицы породы сдвигаются в сторону выработки. На глубине х„ активное и пассивное давление уравновешиваются. Глубина зоны распространения сдвигов определяется из равенства ра ~ Ра
! Фн \ ! <рн \
(<7о + Тх») ^45® - — J = ух„ tg2 ^45° + -у J ,
где фн — нормативный угол внутреннего трения грунта.
Отсюда
Равнодействующая £а активных давлений, стремящихся сдвинуть расположенную выше уровня х„ призму грунта внутрь выработки, превышает равнодействующую £п пассивного отпора, препятствующую этому смещению.
Выпирание призмы происходит под влиянием горизонтальной силы F= £а—£п (12).
Раскладывая силу F на два направления (параллельное плоскости выпирания и составляющее с нормалью к ней угол трения), получим
<рн Т
COS фн
Вертикальное давление на обратный свод оказывает сила
{ фн \
N = Tsin I 45®- (14)
sin 45®
Действие силы У эквивалентно действию нагрузки, распределенной по верхней поверхности призмы выпирания, т. е.
N N
—/—ft- <15>
xotg [45*+ g )
Полное вертикальное давление на обратный свод определяется как сумма давлений от обеих призм выпирания.
§ 19. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ
Определение величины горного давления по формулам является грубо приближенным, так как при этом из всех влияющих на нее многообразных факторов учитываются лишь размеры выработки и некоторые характеристики свойств горных пород (/, <р, с). Недостаточная определенность величины коэффициента крепости породы (особенно для скальных пород) делает затруднительной правильную оценку действительных нагрузок, действующих на обделку.
Совершенно не учитываются существующими формулами влияния на величину горного давления продолжительности пребывания выработки на временной крепи, жесткости крепи, а также способа производства работ по сооружению тоннеля.
В связи с этим особое значение приобретают экспериментальные методы определения горного давления, дающие возможность учесть все перечисленные факторы и получить более надежные данные для расчета тоннельной конструкции. Экспериментальные методы позволяют определить усилия в элементах крепей и от них перейти к действующим нагрузкам или измерить непосредственно контактные напряжения по контуру крепи или обделки.
Вначале необходимо задаться распределением горного давления по контуру выработки. Например, в скальных породах (<р х 90°) можно принять, что давление на верхний элемент штольневой крепи изменяется по параболе (рис. 38).
Максимальный момент в пролете верхняка равен
5
Л4гоах== „„ Ро/ = №’<Тд.
где Р — полная нагрузка на 1 пог. м штольни; а — шаг штольневых рам;
I — пролет верхняка;
W — момент сопротивления верхняка;
Од — максимальное напряжение в верхняке. Подставляя в эту формулу значения
2 Z2
Р = у— • --
3 2/
.элучим
5у13а f‘~ 3nd3ia
(16)
Таким образом, коэффициент крепости породы является функцией напряжения, действующего в элементе крепи. Определить это напряжение можно разными способами. Наиболее совершенным является электроакустический способ, предложенный проф. Н. Н. Давиденковым.
Рис. 38. Электроакустический способ определения напряжения в элементе крепи
На внутренней поверхности верхняка закрепляют струну (см. рис. 38) длиной /t. С помощью стоечных домкратов можно приподнять доски, опирающиеся на верхНяк, освобождая его от нагрузки. Специальным прибором-частотомером измеряют частоты колебаний струны, соответствующие работе верхняка под нагрузкой Vi и работе разгруженного верхняка v4.
Напряжение в струне ос и в нижнем волокне верхняка ад можно найти по формулам:
ос = 4p/J (v? — V.?); (17)
р
ад = Яс-А (18)
где р — плотность материала струны;
£д и Ес — модули упругости соответственно дерева и струны.
Величина ад представляет собой среднее значение напряжения на участке, равном длине струны. Поэтому для обеспечения достаточной точности (1—2 кгс/см2) длина струны не должна превышать 4—6 см.
Применение описанного способа предполагает принятие определенного закона распределения горного давления в кровле выработки (в нашем случае параболического).
Непосредственное измерение усилий, действующих в элементах крепи, может быть выполнено путем установки вместо них динамометрических стоек. Динамометрическая стойка представляет собой деревянную или металлическую стойку с устройством для измерения величины действующей в стойке нормальной силы. Например, в конструкцию стойки СТ входит стальной цилиндр, по оси которого натянута струна. Сжатие стойки вызывает ослабление натяжения струны и понижение частоты ее колебаний. Величина усилия в стойке может быть определена по ее тарировочному графику в зависимости от измеренной частоты колебаний струны.
Рассмотренные методы измерения величины горного давления основаны на изучении напряженного состояния элементов временной крепи подземной выработки. Они неприменимы при современных индустриальных способах постройки тоннелей с проходкой на полное сечение и возведением обделки из заранее изготовленных элементов, сразу воспринимающих нагрузку.
В этих условиях горное давление можно определять двумя способами, измеряя напряжения и деформации в обделке (с последующим переходом к вызвавшим их нагрузкам) или непосредственно контактные напряжения, возникающие по наружному контуру обделки.
Первый способ косвенного определения горного давления содержит много неопределенностей (характер распределения давления, влияние на напряженное состояние обделки условий монтажа и начальных напряжений в элементах обделки и т. п.).
Второй способ является наиболее удобным и универсальным и получил в настоящее время широкое распространение.
Для измерения контактных напряжений по контуру обделки применяют так называемые мессдозы или датчики давления, действие которых может быть основано на разных физических принципах. Мессдозы, установленные по контуру выработки, показывают значения нормальных составляющих давления, действующего на обделку. При расположении приборов по всему контуру выработки можно получить представление о характере нарастания горного давления со временем, его окончательной величине и законе распределения. Наиболее простыми и надежными являются струнные мессдозы.
Мессдоза ЦНИИСа Минтрансстроя (рис. 39), предназначенная для измерения давлений до 15 кгс/см2, представляет собой герметическую стальную коробку 1 с мембраной 2, подвергающейся действию измеряемого давления. Прогиб мембраны вызывает изменение натяжения струны 4, закрепленной на жестко соединенных с мембраной струнодержателях. Съемное днище 5 поддерживается стяжным кольцом 7 с резиновым уплотнением 8 и имеет ввод 6 для проводов. Давление на мембрану определяют по изменению частоты колебаний струны в поле электромагнита 3, которые преобразуются в электромагнитные. Точность показаний мессдозы достигает 20 — 25 гс/см2.
Перед использованием мессдозу подвергают давлению в тарировочной ка. мере, в результате чего получают график зависимости между давлением на мембрану и частотой колебаний струны.
Рис. 40. Установка мессдозы
При бетонировании обделки или изготовлении железобетонного блока в этих конструкциях оставляют цилиндрический канал, в который заделывают стальное кольцо 1 с внутренней резьбой (рис. 40). После установки мессдозы 2 до упора в выступ кольца ввертывают опорное кольцо <?, поддерживающее мес-сдозу снизу. Сквозное отверстие в обделке служит для вывода от мессдозы проводов для снятия показаний прибора.
При определении величины горного давления большое значение имеет тщательное заполнение зазора между обделкой и породой, обеспечивающее равномерное распределение давления по контуру обделки и включение всех мессдоз в работу. Нагнетание за обделку цементного раствора, образующего твердую корку, может исказить показания мессдоз. Поэтому для нагнетания применяют бесцементный раствор (например, смесь воды и песка при толщине слоя нагнетания до 20 см), передача давления через который не вносит искажений в показания мессдоз. При большей толщине песчаного слоя возможно образование купола над мембраной с уменьшением измеренного давления.
Описанный способ, при котором интенсивность горного давления измеряется непосредственно в месте установки мессдозы, применим в слабых, легко деформируемых породах, если за обделкой отсутствуют элементы временной крепи (наличие таких элементов может исказить результаты измерений).
В твердых породах, а также в случаях, когда за обделкой остаются части крепи, для измерения средней интенсивности горного давления используют элемент сборной обделки, приспособленный для этой цели, — измерительный тюбинг (рис. 41).
К спинке тюбинга 1 прикреплен тонкий стальной лист 5, опирающийся по контуру на резиновые прокладки 2. Образующуюся полость 3 толщиной до 30 мм заполняют под давлением пластичным битумом. В специальные отверстия в спинке тюбинга ввинчены малогабаритные мессдозы б до контакта со слоем битума. Цементный раствор за обделку нагнетают через отверстия 4. В этом случае горное давление передается через стальной лист на битум, а затем на мембраны мессдоз, которые показывают среднее значение контактного давления
на площадь стального листа.
При измерении контактных напряжений по контуру выработки необходимо одновременно измерять напряжения и деформации обделки и изучать физико-механические свойства окружающих обделку пород, чтобы можно было сделать выводы как о распределении горного давления, так и о совместной работе обделки и горного массива, представляющего собой упругую среду.
Постепенное накопление и обобщение результатов многочисленных изме-
Рис. 41. Измерительный тюбинг ЦНИИСа
рений горного давления в различных геологических условиях является наиболее целесообразным направлением, позволяющим выяснить действительные нагрузки на конструкции подземных сооружений и подвести под их проектирование надежную базу.
Проведенные ЦНИИСом Минтрансстроя измерения горного давления позволили сделать следующие выводы:
1. Распределение вертикальных нагрузок на тоннельную обделку значительно отличается от равномерного, рекомендуемого СНиП П-Д. 8-62, причем степень неравномерности возрастает с увеличением крепости пород.
2. Давление в глинистых породах зависит от глубины заложения тоннеля и степени обводненности кровли выработки. Однако имеющиеся в настоящее время материалы еще недостаточны для установления характера этой зависимости.
3. Нарастание горного давления происходит в основном в течение первого месяца после раскрытия выработки. Стабилизация горного давления наступает тем быстрее, чем выше крепость породы.
Измерение горного давления в натуре является лучшим методом определения действительных нагрузок на подземные сооружения. Однако экспериментирование в подземных выработках часто затруднительно и не дает возможности создать условия, необходимые для проверки теории и выделения влияния различных факторов на результат эксперимента. Поэтому для развития теории горного давления имеют большое значение также лабораторные опыты на моделях уменьшенного масштаба.
При моделировании процессов горного давления условием полного подобия между натурой и моделью, выполненной в масштабе —, является сохранение существующего в натуре соотношения между силами тяжести и прочностью породы.
Учитывая, что величина силы тяжести зависит от линейных размеров в третьей степени, а прочность породы во второй степени, и обозначая через L (/); ун (ум) и fiB (RM) соответственно линейный размер, объемный вес и прочностную характеристику породы в натуре (и на модели), получим критерий подобия
7hL Ум/
КВ ' КМ
(19)
При выполнении модели из натурного материала ()?м — fix) для сохранения подобия необходимо увеличение его объемного веса в и раз, т. е.
L
Vm = ?h— =пув- (20)
Для этого часто используют центробежное ускорение, возникающее при вращении модели в центрифуге. Модель помещают в каретку, подвешенную к концу горизонтального рычага, который вращается вокруг вертикальной оси, проходящей через его середину. Прн этом на каждую точку модели действует геометрическая сумма ускорений силы тяжести g и центробежного (Л:
а = Уг2+(<о2 г)«,
где г — расстояние от точки закрепления модели до оси вращения;
1
ш — угловая скорость вращения, назначаемая в соответствии с масштабом — моде-
лирования.
Суммарное ускорение должно быть равно а = ng, поэтому
(21)
К недостаткам способа центробежного моделирования относятся: небольшие масштабы моделирования, связанные с размерами центробежных машин; трудность выполнения измерений на вращающейся модели и различие суммарных ускорений в разных ее точках, находящихся на различных расстояниях от оси вращения.
Другим направлением, которое может быть использовано для моделирования горного давления, является метод эквивалентных материалов, предложенный Г. Н. Кузнецовым.
Сущность этого метода заключается в подборе для модели эквивалентного материала, основные характеристики которого, имеющие размерность напряжения (проч-48
иость ва сжатие и растяжевве, модуль деформации, сцепление), удовлетворяют критерию подобия
(22) л Ун
где
L п=— .
I
Безразмерные характеристики материалов в системах, удовлетворяющих критерию подобия, должны быть одинаковы. Поэтому, например, угол внутреннего трения Фи = фн. В качестве эквивалентных материалов применяют сухой мелкозернистый песок или смеси технического вазелина, играющего роль вяжущего, с различными добавками (кварцевый песок, молотые слюда и глины и т. п.). Эти смеси укладывают в модель в подогретом состоянии с тщательной укаткой тонких слоев.
При соблюдении приведенных условий деформации Дв пород в натуре определяют через деформации Дм модели по формуле
Дв = пДм- (23)
К преимуществам метода эквивалентных материалов по сравнению с центробежным моделированием относятся: возможность моделирования в крупных масштабах с обеспечением высокой точности измерений; благоприятные условия для изучения на модели последовательного развития процесса горного давления, тогда как при центрифугировании обычно фиксируются лишь конечные результаты; обеспечение при правил-ь-вом подборе материалов полного подобия механических процессов в модели и натуре, в то время как при центробежном моделировании необходимо сохранение натурных характеристик породы в ненарушениом состоянии, что трудно осуществить.
Глава 6
ВЕНТИЛЯЦИЯ ТОННЕЛЕЙ
§ 20. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ВЕНТИЛЯЦИИ ТОННЕЛЕЙ
При отсутствии в тоннеле движения водуха его качество ухудшается за счет повышения влажности и поступления из окружающих пород газов, проникающих через обделку. Во время эксплуатации тоннеля происходит загрязнение воздуха продуктами сгорания топлива (дымовые и выхлопные газы). Одновременно в тоннеле повышается температура.
Для обеспечения нормальных условий труда обслуживающего персонала, поездных и ремонтных бригад необходима постоянная подача свежего наружного воздуха (проветривание), уменьшающая влажность в тоннеле, снижающая концентрацию вредных примесей до допустимых пределов и удаляющая теплоизбытки, т. е. разность между тепловыделениями в тоннеле и количеством тепла, уходящим в породу.
Согласно СНиП П-Д.3-62 концентрация вредных газов, выделяющихся в железнодорожных тоннелях, должна быть снижена до предельно допустимой концентрации (ПДК) не позднее чем через 15 мин после выхода поезда из тоннеля.
При паровой тяге наибольшую опасность представляет окись углерода, со* держание которой в дымовых газах паровозов составляет около 0,8 % по массе-Для окиси углерода ПДК равна 0,03 г/м3.
При тепловозной тяге наряду с окисью углерода выделяются более ядовитые окислы азота. Так, двигатели тепловоза ТЭЗ, работающие на соляровом масле, на 1 кг сжигаемого топлива выделяют 120 г окиси углерода и 20,5 г окислов азота, ПДК для которых равна 0,005 г/м8.
Если вредные газы производят на организм человека сходные биологические действия (например, окись углерода и окислы азота), необходимо снизить концентрацию каждого из них в отдельности до ПДК, а требуемые для этого объемы свежего воздуха просуммировать.
Выхлопные газы автомашин содержат окись углерода, окись азота и акролеин, отличающийся от двух первых газов характером биологического действия на организм человека. Вентиляция автодорожного тоннеля должна обеспечить разбавление каждого из вредных газов до ПДК. При этом необходимый объем проветривания определяют по вредному газу, разбавление которого требует наибольшего количества свежего воздуха.
ПДК для окиси углерода зависит от времени пребывания в загазованной зоне. Так, при отсутствии пешеходного движения в тоннеле и проезде через него автомашин за время не более 15 мин принимают Г1ДК равной 0,2 г/м3, при проходе пешеходов через тоннель за время не более 30 мин — 0,1 г/м3.
ПДК для акролеина при пешеходном движении по тоннелю равна 0,002 г/м3.
Персонал, обслуживающий тоннель, обычно находится у входа или в пунктах, оборудованных местной вентиляцией; для ремонтных работ отводят часы минимального движения с подачей в случае необходимости свежего воздуха в места, где они производятся.
§ 21. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМА ВОЗДУХА, ПОДАВАЕМОГО ДЛЯ ПРОВЕТРИВАНИЯ
Железнодорожные тоннели. Во время движения поезда и нагнетания свежего воздуха в тоннель вредные газы не только разбавляются, но и вытесняются из тоннеля при концентрациях более высоких, чем ПДК- Моменту выхо-50
да локомотива из тоннеля соответствует начальная концентрация (г/м3) вредного газа в тоннеле
С. = С, + ^-, (24)
где Ск — ПДК вредного газа, существующая в тоннеле в момент входа локомотива, г/м3;
М — количество вредного газа, выделенное локомотивом в тоннеле, г;
V — объем внутреннего пространства тоннеля, м3.
Для того чтобы к концу расчетного времени проветривания tK = 0,25 ч в тоннеле установилась концентрация вредного газа Ск, необходимо подавать в тоннель Q м3/ч свежего воздуха.
По формуле проф. А. Н. Селиверстова необходимый объем проветривания (м3/ч)
Q = — in (25)
'к Ск
Эта формула применима, если интервал времени Т между поездами больше или равен интервалу проветривания, т. е. каждый поезд входит в уже полностью проветренный тоннель:
Т > tT + (26)
где — время хода поезда по тоннелю, ч.
Автодорожные тоннели. Массу выхлопных газов (кг/ч), выделяемых автомашиной, ориентировочно определяют по формуле
gi = (1 + 14,9 a)git (27)
где а — коэффициент избытка воздуха в горючей смеси (для карбюраторных двигателей а = 0,85 4- 0,90, для дизельных двигателей: груженых а = 2 -4- 3, на холостом ходу а 1,8);
(ц — расход горючего автомашиной определенного типа на уклоне, имеющемся в тоннеле, кг/ч.
С увеличением высоты (Н км) расположения тоннеля над уровнем моря расход горючего возрастает, что учитывается введением множителя к = 1 + + 0,022 Н.
Зная массу выхлопных газов, можно определить содержание в них ядовитых составляющих. Так, выхлопные газы карбюраторных двигателей содержат (по массе) до 6% окиси углерода, выхлопные газы дизельных двигателей — до 0,5% окиси углерода и до 0,12 — 0,16% акролеина. В первом случае объем проветривания определяют по разбавлению окиси углерода, во втором — по разбавлению акролеина, обладающего значительно большей токсичностью.
Поток из п автомашин, проходящих через тоннель в обоих направлениях со скоростью v км/ч, выделяет на 1 км следующее количество выхлопных газов (кг/ч):
G = -у [А<с> 2т£ g<c> + А<"> g<n>] , (28)
где А(с> и А(п) — доля в общем потоке автомашин, идущих соответственно на спуск и подъем (А<с> + А<п> = 1);
mi — доля в потоке одного направления автомашин определенного типа;
£/с> и gjn) — количество выхлопных газов, выделяемое автомашинами одного типа соответственно на спуске и подъеме, кг/ч.
Зная состав автоколонн, можно определить количества выхлопных газов, выделяемых отдельно карбюраторными и дизельными двигателями на участке тоннеля длиной 1 км, и найти массу содержащихся в них вредных газов (окиси углерода — В1( окислов азота — В2 и акролеина — В3, г/ч).
Требуемый объем проветривания (м3/ч) для участка тоннеля длиной 1 км, расположенного на постоянном уклоне, равен большему из значений:
по окиси углерода и окислам азота
Q = ——|—— ;
0,200 0,005
по акролеину
О = . Вз
0,002
(29)
(30)
При намечаемом промышленном улучшении конструкции двигателей внутреннего сгорания и уменьшении количества выделяемых ими вредных газов может оказаться, что объем проветривания будет лимитироваться выделением тепла и влаги.
§ 22. ЕСТЕСТВЕННОЕ ПРОВЕТРИВАНИЕ ТОННЕЛЕЙ
Объем воздуха, необходимый для создания в тоннеле нормальных санитарно-гигиенических условий, обеспечивается в результате естественного или искусственного проветривания.
Возможность естественного проветривания определяется длиной и сечением тоннеля, родом тяги подвижного состава, характером продольного профиля и плана тоннеля и подходов к нему, расположением тоннеля относительно направления господствующих ветров.
Факторами, способствующими возникновению в тоннеле естественной тяги воздуха, являются: различие барометрических давлений у порталов тоннеля, достаточно устойчивые ветровые потоки вдоль его оси и расположение порталов на разных уровнях при наличии разности температур наружного и внутреннего воздуха.
Барометрический напор возникает в случае длинных перевальных тоннелей, пересекающих достаточно высокие хребты.
В этом случае барометрическое давление, приведенное к уровню моря, может быть различно у обоих порталов (рис. 42).
При разности барометрических давлений АЯ мм рт. ст. барометрический напор (мм вод. ст.)
йб=13,6АЯ. (31)
В течение года характер изобар (линий, соединяющих точки на карте с одинаковым барометрическим давлением) изменяется и АЯ представляет собой некоторую наиболее вероятную величину.
Ветровой напор может способствовать проветриванию тоннеля
Изобари
Рис. 42. Факторы, вызывающие естественную тягу воздуха в тоннеле
при его расположении под малым углом а к направлению господствующих ветров.
При скорости ветра w м/с ветровой напор (мм вод. ст.)
, w2 cos2 а
hw = Pt----. (32)
где р(— плотность воздуха при температуре /°C.
В горной местности условия возникновения ветрового напора лучше, чем на равнине, так как складки рельефа служат направляющими для потоков воздуха. Наиболее благоприятно для возникновения ветрового напора расположение тоннеля вдоль узкой глубокой долины, особенно если она перпендикулярна линии морского берега.
Наиболее устойчивым является тепловой напор ht (мм вод. ст.), возникающий при наличии разности Яп высот порталов тоннеля и температур наружного и тоннельного воздуха. В односкатных тоннелях этот напор может достигать значительной величины
Ле = (Рн—рт) Hag, (33)
где рн и рт — значения плотностей наружного и тоннельного воздуха, соответствующие их температурам;
g — ускорение свободного падения (g = 9,81 м/с2).
В зависимости от знака разности температур воздуха внутри и вне тоннеля тепловой напор меняет направление. Его положительное значение соответствует движению воздуха от нижнего портала тоннеля к верхнему, которое происходит обычно в зимнее время. В летнее время направление движения воздуха меняется на обратное.
Суммарный напор естественной тяги воздуха (мм вод. ст.) расходуется на преодоление трения воздуха о стены тоннеля и местных сопротивлений, характеризуемых коэффициентами £;:
/Г \ U2
(’--гг+^Н’ (34)
где X — коэффициент трения воздуха о внутреннюю поверхность тоннеля (для тоннелей с гладкими бетонными стенами при бетонном основании пути X = 0,028);
L — длина тоннеля, м;
R — гидравлический радиус сечения тоннеля, равный отношению площади сечения к периметру, м;
ve — скорость движения воздуха в тоннеле, м/с.
Скорость (м/с) движения воздуха в тоннеле, создаваемая естественными факторами,
На скорость движения воздуха в тоннеле влияют силы трения и местные сопротивления при входе воздуха (£ = 0,6) и выходе его (£ = 1) из тоннеля (если кромки портальных отверстий не скруглены).
Объем (м3) свежего воздуха, поступающего в тоннель в течение 1 ч, должен быть не менее необходимого объема проветривания, т. е.
Qe = 3600ае F > Q, (36)
где F — площадь сечения тоннеля, м2.
В противном случае необходима искусственная вентиляция.
Естественная вентиляция зависит от факторов, которые не являются достаточно устойчивыми и могут действовать с различными знаками, нейтрализуя друг друга. Наиболее надежным является тепловой напор, но и он изменяется в связи с сезонными колебаниями разности температур наружного и тоннельного воздуха. Поэтому в течение года неизбежны периоды, когда естественная тяга воздуха недостаточна и может требоваться применение искусственной вентиляции.
§ 23. ПОРШНЕВОЙ ЭФФЕКТ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Особое значение для естественного проветривания имеет влияние поршневого эффекта проходящих через тоннель транспортных единиц. В благоприятных условиях поршневой эффект может создать достаточную для проветривания тоннеля скорость воздушного потока, а в неблагоприятных условиях — уравновесить естественную тягу или изменить направление движения воздуха на обратное.
Рис. 43. Проветривание поршневым действием подвижного состава
В железнодорожных тоннелях поршневой эффект особенно заметен, так как поезд занимает большую часть сечения однопутного тоннеля и имеет длину, соизмеримую с длиной тоннеля.
При движении поезда в тоннеле создается избыточное давление воздуха перед локомотивом и разрежение за последним вагоном. Эти факторы способствуют преодолению сопротивления тоннеля как воздуховода и создают напор, обеспечивающий перемещение воздуха в тоннеле.
Скорость v воздушного потока, вызванного поршневым эффектом поезда, прямо про
порциональна скорости v0 его движения. Свежий воздух, входящий в тоннель
вслед за поездом, движется несколько медленнее его и поэтому отстает от заднего вагона (рис. 43, а). После выхода поезда из тоннеля поршневой эффект исчезает и движение воздуха к выходному порталуЪродолжается под влиянием кинетической энергии массы воздуха, находящегося в тоннеле (рис. 43, б).
Если эта энергия недостаточна для преодоления сопротивления тоннеля как воздуховода, свежий воздух не сможет полностью вытеснить воздух с продуктами сгорания топлива и при неблагоприятных условиях эта смесь может распространиться в направлении, обратном движению поезда, на значительное протяжение тоннеля.
Величина отставания потока свежего воздуха от заднего вагона поезда в момент выхода из тоннеля
/O = L[1 —— V (37)
V «о /
где L — длина тоннеля;
v0 — скорость движения поезда;
v — скорость движения воздуха в тоннеле, установившаяся в результате совместного действия поршневого эффекта и естественной тяги.
Используя теорему об изменении кинетической энергии системы, можно найти время tK свободного движения воздушного потока по тоннелю и величину выходной.скорости vK воздуха, которая должна быть достаточной для преодоления случайных факторов противоположного направления (напор естественной тяги, движение транспорта):
^0
/к~(<Р-1); (38)
= ~ ’ (39)
е k
где
k = ^- (40)
ёт—1
Входящий в последнее выражение коэффициент полного сопротивления
тоннеля как воздуховода
?т=1-6 + ^^-. (41)
Условием возможности проветривания тоннеля за счет поршневого эффекта поездов является соблюдение следующих неравенств (рис. 43, в):
tK 15 мин; 1
п , г (42)
0,15 м/с. J
Усилению влияния поршневого эффекта на проветривание тоннеля способ-свует проведение следующих мероприятий:
1. Увеличение воздушного сопротивления, которого можно достигнуть при •ольшем заполнении поездом поперечного сечения тоннеля и повышении скорости движения. Поэтому целесообразно вместо двухпутного тоннеля устраивать два однопутных и располагать тоннели на малых уклонах. При этом одно-временно уменьшается расход горючего локомотивом при проходе через тоннель а. следовательно, выделение вредных газов.
2. Уменьшение сопротивления тоннеля как воздуховода, которое может &пъ достигнуто при уменьшении коэффициента трения воздуха о стены тоннеля а сокращении местных сопротивлений при входе и выходе путем закругления хромок портальных отверстий. Наибольшее значение имеет уменьшение шероховатости внутренней поверхности тоннеля. Для этой цели целесообразно применять при бетонировании металлическую инвентарную опалубку или тщательно оштукатуривать поверхность с последующим железнением.
3. Нагнетание воздуха через ствол неглубокой шахты в тоннель в направлении движения поезда в местах прекращения вентиляционного действия от соршневого эффекта, которое сокращает время проветривания тоннеля и увеличивает выходную скорость воздушного потока.
В автомобильных тоннелях влияние поршневого эффекта не так велико, как з железнодорожных тоннелях, вследствие значительно меньшего заполнения транспортными единицами поперечного сечения тоннеля. Однако и здесь следует считаться с возможностью возникновения устойчивого воздушного потока, особенно при движении колонн автомашин с минимальными интервалами между ними. Поэтому целесообразно устраивать отдельные тоннели для одностороннего движения, в которых воздушные потоки от поршневого эффекта автомашин могут быть использованы для естественного проветривания. Такое решение допустимо в случае коротких тоннелей (длиной до 400 м). При этом обязательно выключение двигателей внутреннего сгорания при остановке машин в тоннеле.
§ 24. ИСКУССТВЕННАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ ТОННЕЛЕЙ
Общие сведения. Вопрос о выборе между естественным проветриванием и искусственной вентиляцией тоннеля решается в зависимости от ряда факторов и в первую очередь от длины тоннеля и рода применяемой тяги и транспортных единиц.
Естественное проветривание допускается в железнодорожных тоннелях длиной до 300 м при тепловозной тяге и до 1000 м при электрической тяге, а также в автодорожных тоннелях длиной до 150 м.
При большей длине тоннеля необходимость искусственной вентиляции устанавливают в зависимости от рода тяги, продольного профиля и плана тоннеля и подходов к нему, расположения тоннеля по отношению к направлению господствующих ветров и частоты движения поездов или автомашин. При этом в железнодорожных тоннелях длиной более 1000 м при тепловозной тяге и в автодорожных тоннелях длиной более 400 м искусственная вентиляция обязательна независимо от установленной расчетом возможности естественной вентиляции.
Искусственная вентиляция может быть осуществлена различными способами. В зависимости от направления движения подаваемого в тоннель воздуха различают продольную, поперечную и полупоперечную системы вентиляции.
Продольная вентиляция. При продольной вентиляции воздуховодом служит тоннель, вдоль которого перемещается воздух.
Эффективность продольной вентиляции в значительной степени зависит от направления и силы естественной тяги, а также от поршневого эффекта подвижного состава. Для приспособления к этим факторам обычно применяют вентиляционные установки реверсивного типа, позволяющие изменять направление подачи воздуха в соответствии с конкретной обстановкой в тоннеле.
Для усиления эффективности искусственной вентиляции наиболее целесообразна подача воздуха в тоннель в направлении движения подвижного состава с использованием его поршневого эффекта. Однако в тоннелях значительной длины при паровой и тепловозной тяге рекомендуется подавать воздух навстречу поезду, в особенности при его движении на крутой подъем. При этом воздух с продуктами сгорания топлива удаляется от локомотива и улучшаются условия работы локомотивной бригады.
По СНиП П-Д. 8-62 скорость воздушного потока в тоннеле не должна превышать 6 м/с; эта величина и ограничивает возможный объем проветривания.
Продольная вентиляция может быть осуществлена по одной из следующих схем:
1. Схема с вентиляционными шахтами. Сооружение специальных вентиляционных шахт на трассе тоннеля, расположенного на большой глубине, связано со значительными капиталовложениями. Поэтому обычно для вентиляции используют стволы строительных шахт, заложенных с целью открытия дополнительных забоев и ускорения строительства. При выборе расположения стволов учитывают удобства их последующего использования как вентиляционных. Так, при наличии одной шахты целесообразно располагать ее на переломе продольного профиля тоннеля, где возможно скопление вредных газов.
Глубокие шахтные стволы значительно увеличивают силу естественной тяги. Их оборудуют реверсивными вентиляционными установками, подающими воздух в направлении, совпадающем с направлением естественной тяги, что способствует уменьшению эксплуатационных расходов на вентиляцию.
При наличии нескольких стволов (рис. 44) следует чередовать стволы с притоком и вытяжкой воздуха, располагая их таким образом, чтобы примыкающие к шахте участки тоннеля имели по возможности одинаковые сопротивления.
При выборе количества и диаметра шахтных стволов исходят из скоростей воздуха, не превышающих в тоннеле 6 м/с, в стволе 12 м/с. Кроме того, диаметр-ствола шахты, используемой в качестве строительной, должен быть достаточен! для размещения устройств двухклетьевого подъема (т. е. не менее 5 м).
Движение по тоннелю, вызывающее поршневой эффект, а также естественная тяга в значительной степени могут влиять на надежность шахтной вентиляции. На участках тоннеля, где направление действия этих факторов совпадает с направлением воздушного потока, вентиляция усиливается, тогда как на других участках возможно значительное ослабление н даже изменение направления воздушного потока.
При длинных тоннелях через ствол ближайшей к входному порталу шахты нагнетают воздух до тех пор, пока поезд не пройдет ствол, а затем через него ведут вытяжку.
2. Схема с портальной установкой и закрытием выхода из тоннеля. Устройство вентиляционных шахт дорого и не всегда технически выполнимо (например, для длинных, глубоко расположенных тоннелей). В этих случаях применяют вентиляционные установки, размещаемые у порталов (рис. 45).
При открытом портале воздух, нагнетаемый через вентиляционный канал, расположенный под углом к оси тоннеля, выходит наружу, а при работе вентиляторов на вытяжку в основном происходит засасывание свежего воздуха через портал, в то время как в тоннеле воздух движется недостаточно интенсивно^
Рис. 44. Схема продольной вентиля- Рис. 45. Схема продольной вентиляции с порталь-ции тоннеля с шахтами ной установкой и закрытием выхода из тоннеля
Поэтому входы в тоннель снабжают занавесами, состоящими из вертикальных стальных рам, на которые гатя нут брезент. Рамы урав повешены и перемешаются по роликам в направляющих. Открытие и закрытие занавеса происходят автоматически (с помощью контактных устройств в рельсовой цепи). Занавес ограждают сигналами. При несвоевременном открытии занавеса возможен его прорыв локомотивом.
Вентиляция тоннеля осуществляется следующим образом. При входе поезда в тоннель закрывается занавес у противоположного
Рис. 46. Вентиляционная установка Моффатского тоннеля
портала, и воздух нагнетается навстречу поезду. При этом воздух в тоннеле приводится в движение и вредные газы удаляются через входной портал. Эффективность проветривания усиливается, если за поездом, вошедшим в тоннель, опускается занавес и вентиляционная установка входного портала начинает работать на вытяжку. Реверсивность установок позволяет изменять направление движения воздуха.
Такая вентиляционная установка (рис. 46) действует у одного из порталов Моффатского тоннеля (США).
Два вентилятора 4 (один из них резервный) подают воздух по каналам 5 всегда в одном направлении (в тоннель). Реверсивная работа установки обеспечивается наличием двух киосков 2 и 6 и затворов 3 и 7. При положении затворов, показанном штриховыми линиями, воздух, засасываемый через киоск 2, нагнетается в тоннель; при положении затворов, показанных сплошными линиями, воздух засасывается из тоннеля и выбрасывается через киоск 6. Ра&бта системы обеспечивается наличием занавесов 1 у порталов.
Описанная система экономична и является наиболее целесообразной при малой частоте движения для длинных железнодорожных тоннелей, где она нашла широкое применение (Симплонский, Лечбергский и другие тоннели).
3. Схема с портальной установкой и открытыми входами в тоннель (система Саккардо). При интенсивном движении, требующем постоянно открытых входов, у порталов устраивают вентиляционные установки, вдувающие воздух в тоннель с большой скоростью через охватывающую сечение тоннеля узкую щель, расположенную под острым углом к его оси. При этом воздух в тоннеле приводится в движение за счет скоростного напора и одновременно через ближайший портал подсасывается свежий воздух.
При таком размещении портальной вентиляционной установки (рис. 47) входе тоннель охватывает камера 1 длиной 2,5 м. Воздух нагнетается в камеру двумя вентиляторами 2, расположенными в надпортальном вентиляционном здании. Из камеры воздух с большой скоростью выходит через щель 3, расположенную по контуру камеры под углом около 15° к оси тоннеля.
Площадь щели в ее наиболее узкой части определяют в зависимости от объема проветривания (с учетом подсоса через ближайший портал около 20% необходимого объема воздуха) и скорости выпускания воздуха, связанной с длиной тоннеля (для тоннелей длиной более 1 км эта скорость должна быть не менее 20 м/с).
Рис. 47. Портальная установка для вентиляции тоннеля по системе Саккарда
Кроме установок нагнетательного типа, имеются вытяжные установки, производящие противоположное действие. Для тоннелей, вентилируемых через один портал, более целесообразна нагнетательная установка. При вентиляции с обоих порталов, применяемой в длинных тоннелях, одну из установок устраивают нагнетательного типа, другую — всасывающего. В длинных тоннелях желательно приспособлять направление подачи воздуха к направлению естественной тяги и движения транспорта. В этом случае возможно размещение внутри тоннеля реверсивной установки (рис. 48), обеспечивающей ускорение движения воздуха в направлении естественной тяги или поршневого про
ветривания.
Вентиляторы 1, расположенные в боковых камерах 3, нагнетают воздух перпендикулярно оси тоннеля. Направление движения воздуха, выходящего в тоннель через наклонные щели (например, 5), определяется положением затворов 2, 7 и 4, 6, которые могут быть поставлены вдоль или поперек каналов камеры (на чертеже затворы 4 и 7 показаны открытыми, 2 и 6 — закрытыми, что соответствует выпуску воздуха через щель 5).
Тоннель может быть оборудован вентиляцией по описанной системе без пе
рерыва эксплуатации, если напряженность движения по нему сделает недос-
таточным естественное проветривание.
Ось тоннеля -------1---------
Рис. 48. Реверсивная вентиляционная установка в тоннеле
Проветривание по системе Саккардо длинных тоннелей с интенсивным движением не является достаточно эффективным вследствие малого коэффициента полезного действия установки, связанного с потерями мощности в щелях, помехами от естественной тяги и движения поездов и необходимостью преодоления больших напоров в сети.
При пуске вентиляторов значительная часть
воздуха уходит через портал, пока в тоннеле не установится постоянный воздушный поток; ана-
логичное явление происходит при встречном движении транспорта. Недостатком системы
Ствол шахты,
на 2 отсека
Рис. 49. Схема поперечной вентиляции тоннеля
soo-soo
Б00-800
800-800
800-800
«ляется также увеличение концентрации вредных газов в воздухе тоннеля с мере удаления от нагнетательной установки.
Поршневое действие транспорта и естественная тяга могут значительно ослабить скорость движения воздуха и даже изменить ее знак. Поэтому при большой частоте движения (например, в автомобильных тоннелях) целесообразно разделять транспортные потоки противоположного направления, располагая жагнетательные установки у входного портала каждого из тоннелей.
К общим недостаткам всех схем продольной вентиляции относятся: большая скорость воздуха в тоннеле, представляющая неудобства для людей и опас-Е’ в случае возникновения в тоннеле пожара; неравномерность концентрации оедных газов по длине тоннеля; значительное влияние, оказываемое на провет-згзание тоннеля естественной тягой и движением транспорта (это не относится к схеме портальной вентиляции с закрытием выхода из тоннеля).
Вследствие этого продольную вентиляцию редко применяют в автодорож-тоннелях, где она может быть рекомендована при устройстве параллельных тонннелей для раздельного движения или в виде так называемой струйной вентиляции, описанной ниже (см. стр. 60).
Поперечная вентиляция. При поперечной вентиляции в сечении тоннеля размещаются два параллельных канала (рис. 49), служащих соответственно для подачи свежего и удаления загрязненного воздуха. Перемещение воздуха = тоннеле происходит поперек его оси.
При этой системе значительно увеличиваются размеры выработки и труд-егсти ее проходки, а также возрастают капитальные затраты.
В тоннелях кругового очертания вентиляционные каналы располагают вверху и внизу сечения (рис. 50, а). В тоннелях подковообразного очертания более целесообразно размещать оба канала над проезжец,частью (рис. 50, б). При этом создается возможность устраивать более подъемистый свод, лучше работающий на вертикальные нагрузки, и отпадает необходимость в тяжелом перекрытии для пропуска подвижного состава. В этом случае воздух подается через вертикальные каналы в стенах в уровень проезжей части, где выпускается во внутреннее пространство тоннеля.
Недостатком расположения обоих каналов над проезжей частью является сложность герметизации разделительной перегородки между ними.
Воздух выпускается в тоннель через вытянутые вдоль его оси щели, расположенные несколько выше уровня проезжей части. Для вытяжки служат поперечные узкие (шириной 12—16 см) отверстия в подвесном потолке, расположенные через каждые 5 — 10 м по длине тоннеля и имеющие заслонки для регулирования ширины открытия. Сечение каналов назначают в зависи-
Рпс. 50. Сечения тоннелей с поперечной вентиляцией
мости от скорости движения воздуха, доходящей до 15 — 20 м/с. При больших скоростях резко возрастают сопротивления (зависящие от квадрата скорости) и мощность вентиляционной установки.
Длина каналов ограничивается возможностью равномерного выпуска воздуха в тоннель, так как по мере перемещения воздуха по каналу постоянного сечения падает напор и уменьшается интенсивность выхода воздуха в тоннель.
Для усиления равномерности выпуска воздуха регулируют размеры отверстий и число их по длине каналов и ограничивают длину каналов величиной 600 — 800 м, что соответствует расстоянию между порталами или стволами шахт, равному 1200 — 1600 м (см. рис. 49).
К достоинствам поперечной вентиляции относятся: быстрое удаление вредных газов из сечения тоннеля; поступление свежего воздуха по всей длине тоннеля; отсутствие в тоннеле движения воздуха с большими скоростями и опасности распространения огня вдоль тоннеля при пожаре; независимость вентиляции от силы естественной тяги и движения подвижного состава.
Недостатком, ограничивающим применение поперечной вентиляции, является ее высокая стоимость, связанная со значительным увеличением сечения тоннеля.
Поперечную систему вентиляции применяют в автомобильных тоннелях с большой интенсивностью движения.
Полупоперечная вентиляция. Такая система вентиляции представляет собой комбинированное решение. Свежий воздух подается по вентиляционному каналу, параллельному оси тоннеля, а загрязненный воздух удаляется по тоннелю, служащему воздуховодом (рис. 51). В этом случае направление перемещения воздуха в тоннеле поперечно-продольное. По строительным затратам и эксплуатационным качествам эта система вентиляции занимает среднее место между продольной и поперечной системами.
Вентиляционный канал обычно размещают в верхней части тоннелей, сооружаемых горным способом и под проезжей частью тоннелей кругового очертания. Расстояния между порталами или вентиляционными шахтами в этом случае ограничивается допустимыми скоростями движения воздуха в тоннеле (6 м/с) ив вентиляционном канале (15—20 м/с). При двух портальных установках, каждая из которых обслуживает по половине длины тоннеля, полупоперечная система вентиляции может быть применена для автомобильных тоннелей длиной до 1600 м с интенсивным движением.
К недостаткам полупоперечной системы вентиляции относятся: большая скорость воздуха, опасная в случае возникновения пожара, и неравномерность концентрации окиси углерода, увеличивающейся по мере продвижения загрязненного воздуха к выходному порталу тоннеля.
Струйная вентиляция. К новым направлениям в области вентиляции транспортных тоннелей принадлежит струйная система, являющаяся разновидностью продольной вентиляции. При этой системе под сводом или в нишах, устроенных в верхней части стен тоннеля, размещают осевые вентиляторы. Число последовательно установленных групп вентиляторов (в каждой по два-три вентилятора) назначают таким образом, чтобы они могли подавать объем воздуха, необходимый для разбавления вредных газов до допустимой концентрации, и преодолеть сопротивление тоннеля как воздуховода.
Расстояние между вентиляторами по длине тоннеля, при котором происходит достаточно полное перемешивание воздуха и достигается равномерное распределение его скоростей в сечении тоннеля, по практическим данным, состав-
Рис. 51. Схема полупоперечной вентиляции тоннеля
4F
ляет (12 -г- 13) D, ra,eD = -р — гидравлический диаметр сечения тоннеля площадью F, имеющего периметр Р.
Струйная вентиляция имеет следующие преимущества перед другими системами: снижение капитальных затрат и сокращение сроков строительства вследствие отсутствия необходимости в устройстве вентиляционных каналов и зданий для вентиляционных установок; значительное уменьшение эксплуатационных расходов, так как вентиляторы снабжаются газоанализаторами, которые включают в работу отдельные вентиляторы или их группы лишь в случае, если концентрация окиси углерода превысит допустимый уровень.
Струйная система получила распространение за рубежом преимущественно в автодорожных тоннелях длиной до 1 км. В железнодорожных тоннелях длиной до 1 км ее применение возможно при размещении вентиляторов в продольных боковых нишах.
§ 25. ВЕНТИЛЯЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ
Для вентиляции тоннелей применяют вентиляторы двух типов: ц е н т р о-б е ж п ы е, в которые воздух поступает перпендикулярно оси вращения, и осевые, в которых подача происходит вдоль оси вращения. Для уменьшения потерь напора на выходных отверстиях вентиляторов обоих типов устанавливают раструбы-диффузоры, снижающие выходную скорость воздушной струи. Центробежные вентиляторы характеризуются высокими напорами и целесообразны при большом сопротивлении сети. Осевые вентиляторы при равной производительности имеют меньшие размеры, что важно для их размещения в подземных камерах, и обладают более высоким коэффициентом полезного действия, чем центробежные. Их недостатком является большой шум при работе, который часто требует применения специальных глушителей.
В установках для вентиляции тоннелей осевые вентиляторы с успехом заменяют центробежные, имевшие раньше преимущественное распространение. Способность этих вентиляторов работать в условиях переменного сопротивления сети, вызванного движением поездов, обусловила их успешное применение для вентиляции метрополитенов.
Центробежные вентиляторы не являются реверсивными, т. е. не могут изменять направление воздушного потока без резкого уменьшения производительности и напора. Реверсирование осевых вентиляторов может быть достигнуто изменением направления вращения и угла установки лопаток на 180°. Такое решение применяется при вентиляции тоннелей метрополитена, направление движения воздуха в которых различно в летнее и в зимнее время. При необходимости быстрого приспособления к условиям естественной тяги или движения в тоннеле реверсирование обеспечивается устройством обводных вентиляционных каналов с окнами и затворами, при помощи которых достигается требуемый эффект без снижения производительности, напора и к. п. д. установки.
Реверсивные осевые вентиляторы типа ВОМД-24, обеспечивают при реверсировании до 87% производительности прямого хода (до 250 000 м3/ч с напором до 70 мм вод. ст. — при скорости вращения 320 об/мин).
Для подбора вентиляторов и определения мощности установки, кроме объема проветривания, необходимо знать величину напора, под которым воздух должен поступать в тоннель, чтобы преодолеть возникающие при его движении сопротивления, складывающиеся из потерь на трение о стенки тоннеля и вентиляционных каналов и местных сопротивлений, возникающих в местах изменения режима движения воздуха. Подробные данные об определении потерь напора при различных системах вентиляции тоннелей приводятся в специальной литературе. [Мощность установки (кВт) определяют по формуле
2N = k QH ,
102т]в T]nJ
где k — коэффициент запаса мощности на пусковой момент двигателя (для осевых и центробежных вентиляторов соответственно равный 1,05 и 1,1);
в-в
Рис. 52. Вентиляционная установка у ствола шахты:
/ __ электродвигатель; 2 — осевой венти-
лятор; 3 — дверь; 4 — перегородка
Q — объем проветривания, м3/с;
Н — общий напор, создаваемый установкой, мм вод. ст.;
Ли и Лп — к- п- Д- вентилятора и передачи.
Вентиляторы подбирают по их характеристикам — графикам, связывающим основные параметры (необходимые расход и напор, коэффициент полезного действия и число оборотов) с производительностью. Если один вентилятор не обеспечивает требуемой производительности и напора, применяют соответственно параллельное или последовательное включение двух или нескольких вентиляторов, имеющих одинаковые характеристики и скорости вращения рабочего колеса.
Вентиляционные установки располагают в непосредственной близости от
тоннеля, по возможности на поверхности, так как подземные вентиляционные камеры имеют высокую стоимость и неудобны в эксплуатационном отношении. Высокая влажность подземных камер вызывает коррозию оборудования. Тем не менее в горных условиях, когда сооружение вентиляционного узла на поверхности связано с трудностями (устройство подъездных дорог, прокладка линии электропередачи и т. п.), вентиляторы обычно помещают в подземной вентиляционной камере (рис. 52), находящейся между стволом шахты и тоннелем и в период строительства используемой как околоствольная выработка.
Вентиляторы (не менее двух) разделяют продольной перегородкой и смещают один относительно другого для возможности прохода через камеру. Всасывающую сторону каждого вентилятора отделяют от нагнетательной поперечной перегородкой. В камеру входят из тоннеля. Вентиляционный киоск для забора воздуха над устьем шахты снабжают решетками на высоте не менее 2 м от поверхности. Оборудование для дистанционного управления работой вентиляторов устанавливают в помещении дежурного, которое расположено вне тоннеля. Должна быть предусмотрена и возможность пуска и остановки вентиляторов непосредственно из вентиляционной камеры.
Для снижения эксплуатационных расходов необходимо оборудовать вентиляционную установку приборами, автоматически включающими и выключающими вентиляторы в зависимости от концентрации вредных газов в тоннеле.
При портальной вентиляции вентиляционную камеру сооружают над порталом тоннеля или вблизи от него (см. рис. 46 и 47).
В качестве привода вентиляторов при мощности до 100 кВт обычно применяют асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором и противовлаж-ностной изоляцией, отличающиеся простотой обслуживания и удобством дистанционного пуска. При больших мощностях экономичнее синхронные электродвигатели. Вентиляторы монтируют на общем валу с электродвигателем или соединяют с ним клиновой ременной передачей.
Гл а в a 7
ПОПЕРЕЧНЫЕ СЕЧЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ
§ 26. ГАБАРИТЫ ТОННЕЛЕЙ
Форма и размеры поперечного сечения тоннеля определяются его назначением. Внутри транспортного тоннеля должно быть свободное пространство, достаточное для пропуска подвижного состава, прохода людей, размещения необходимого оборудования и устройств. Поэтому поперечное сечение тоннеля должно удовлетворять утвержденному для данного вида транспорта габариту приближения строений.
Габаритом приближения строений называют перпендикулярный оси пути контур, внутрь которого не должны выступать никакие части сооружений и устройств (с учетом неточностей, допущенных при проходке выработки и возведении обделки).
Для железных дорог специальные тоннельные габариты отсутствуют. Поэтому при проектировании используется габарит С приближения строений железных дорог колеи 1520 (1524) мм (ГОСТ 9238 — 73) с шириной междупутья на прямой 4100 мм (рис. 53).
Высоту Н габарита С и его ширину b поверху назначают в зависимости от конструкции подвески контактного провода. В сети с напряжением 1,5 — 25 кВ для контактной подвески с несущим тросом принимают Н = 6400 мм (Ь = 2040 мм), без несущего троса — Н = 6250 мм (6 = 2240 мм).
На кривых участках пути габарит приближения строений должен быть увеличен с учетом выноса концов и середины вагона в стороны от оси пути и его наклона, обусловленного возвышением h наружного рельса, которое назначают в зависимости от наибольшей скорости движения, допускаемой на кривой данного радиуса (на кривых радиусом 1500 м и менее h = 160 мм).
Угловые точки 1 — 6 габарита на кривой смещаются наружу от оси пути вположение/' — 6'. Кроме того, на контуре увеличенного габарита возникает дополнительная точка 4". В качестве примера на рис. 54 приведен габарит высотой 6400 мм на кривой радиусом 600 м.
Смещения точек габарита, а также координаты точки 4" даны в табл. 5.
Таблица 5
Проектные нормы изменения размеров габарита С на перегонах в кривых участках пути по ГОСТ 9238—73
Мдвус кривой Я, м Горизонтальные смещения точек габарита, мм Координаты точки 4", мм
Д1 = Дв = Дв Да Да Да х 1 У
1500 20 430 810/790 170/160 190/310 6620/6480
1200 30 440 810/790 170/160 190/310 6620/6480
1000 40 440 810/790 170/160 190/310 6620/6480
800 50 450 810/790 170/160 190/310 6620/6480
700 50 460 810/790 170/160 190/310 6620/6480
600 60 470 810/790 170/160 190/310 6620/6480
500 70 480 810/790 170/160 190/310 6620/6480
400 90 500 810/790 170/160 190/310 6620/6480
350 100 510 810/790 170/160 190/310 6620/6480
300 120 530 810/790 170/160 190/310 6620/6480
250 140 550 810/790 170/160 190/310 6620/6480
200 180 590 810/790 170/160 190/310 6620/6480
Примечание. Цифры в числителе соответствуют высоте габарита, равной 6400 мм, в знаменателе—6250 мм.
Вертикальные размеры габарита приближения строений отсчитывают от уровня верха головки внутреннего рельса, горизонтальные — от вертикали, проходящей внутри колеи на расстоянии 760 мм от рабочего канта головки.
Обычно положение внутреннего рельса, соответствующее прямому участку пути, оставляют неизменным по всей длине тоннеля, а наружный рельс повышают на величину h. При укладке пути в тоннеле метрополитена повышают наруж-„ h
ныи рельс на — и понижают внутренний рельс на ту же величину, что позво
ляет уменьшить высоту тоннеля.
Для двухпутных тоннелей на кривой габарит приближения строений получают построением уширенных габаритов однопутных тоннелей (рис. 55), рассто
яние между осями которых увеличивают в зависимости от соотношения возвышений наружных рельсов внешнего и внутреннего путей. Эти возвышения могут быть неодинаковы, так как их назначают в соответствии со скоростями движения в обоих направлениях. Наиболее неблагоприятно наличие возвышения
Рис. 55. Увеличение габарита двухпутного тонне ля на кривой
наружного рельса внешнего пути при отсутствии возвышения наружного рельса внутреннего пути. Для этого случая междупутье должно быть уширено на величину Ам (табл. 6).
Автодорожные тоннели должны удовлетворять габариту приближения строений, показанному на рис. 56, ширину проезжей части которого назначают в зависимости от категории дороги, длины тоннеля и местных условий равной 7 (габарит Г-7) или 8 м (габарит 7-8).
С обеих сторон проезжей части должны быть предусмотрены защитные полосы шириной 25 ,см и высотой 25 см для исключения возможности ударов кузовов автомашин о стены тоннеля. С одной стороны устраивают служебный тротуар шириной 1 м (включая защитную полосу) для обеспечения безопасности обслуживающего персонала во время эксплуатации тоннеля.
Высота габарита по оси проезжей части, смещенной на 375 мм относитель-
но оси тоннеля, равна 4500 мм. Рис. 56. Габарит Г приближения стро-
Пропускная способность односто- ений для автодорожных тоннелей роннего тротуара шириной 1 м не пре-
вышает 1000 пешеходов в час. При большей интенсивности пешеходного движения необходимо устраивать два тротуара шириной 1 м каждый. При движении пешеходов через тоннель требуется снижение ПДК окиси углерода с учетом времени пребывания людей в загазованном пространстве. Поэтому для уменьшения объема проветривания целесообразно устраивать в сечении тон-
неля специальное пешеходное отделение.
Таблица 6
Проектные нормы увеличения междупутья на перегонах в кривых участках пути
Радиус кривой /?, м 1500 1 200 1000 800 700 600 500 400 350 300 250 200
Уширение междупутья Дм, мм ... 580 590 600 630 630 650 680 710 740 770 820 890
При расположении тоннеля на кривой радиусом 700 м и менее проезжую часть уширяют (табл. 7).
Таблица 7
Уширение проезжей части в автодорожных тоннелях
Радиус кривой, м 700 — 550 500 — 450 400 — 200 200— 1 50 125 — 90
Уширение, м . . 0,40 0,50 0,60 0,75 1,00
Сведения о габаритах приближения строений для тоннелей метрополитенов приведены в §112.
§ 27. ВНУТРЕННЕЕ ОЧЕРТАНИЕ ТОННЕЛЬНОЙ ОБДЕЛКИ
При назначении внутреннего очертания тоннельной обделки, кроме габаритных требований, должны быть учтены также эксплуатационные, строительные и экономические соображения.
Между обделкой и габаритом приближения строений располагают все устройства, необходимые для нормальной эксплуатации тоннеля и обеспечения безопасности обслуживающего персонала и ремонтных рабочих (рис. 57).
Внутреннее очертание железнодорожного тоннеля назначают с учетом размещения светофора /, светильника 2 общего освещения, ответвительных коробок 3 электросети, гудка 4 оповестительной сигнализации, сигнальных ламп 5, располагаемых над нишами, и аварийной кнопки 6 ( с одной стороны тоннеля через нишу), а также водоотводной канавы.
3 Зак. 1 207 65
Для крепления подвески контактного провода в своде обделки раньше устраивали ниши шириной 60 см через каждые 20 м по длине тоннеля. Современная конструкция подвески контактного провода 7 не требует устройства ниш, что облегчает процесс ее возведения.
Размещение оборудования по схеме, показанной на рис. 57, оправдано при расположении тоннеля в породах, требующих применения стен криволинейного очертания. В скальных породах, не оказывающих на конструкцию бокового давления, стены обделки могут быть вертикальными. В этом случае целесообразно изыскать возможности расположения оборудования в сводчатой части тоннеля, максимально приблизив стены к вертикальным участкам габарита.
Расстояния от угловых точек габарита до обделки следует назначать с запасом на неточность выполнения строительных работ в зависимости от крепости горных пород и принятого способа сооружения тоннеля. Так, в скальных породах, в которых выработку разрабатывают на полное сечение, запасы можно принимать меньшими, чем в мягких и неустойчивых породах, требующих раскрытия выработки по частям с крепью, обладающей значительной податливостью. Запас по высоте в угловых точках габарита принимают до 100 — 150 мм.
Для обеспечения безопасности обслуживающего персонала и ремонтных бригад во время прохождения поезда в железнодорожном тоннеле устраивают ниши шириной 2 м, глубиной 1 м и высотой (до шелыги свода) 2 м. Ниши располагают через 60 м с каждой стороны тоннеля в шахматном порядке.
Для размещения ремонтного оборудования, а также укрытия путевой дрезины через 300 м по каждой стороне тоннеля устраивают камеры шириной 4 м, глубиной 2,5 м и высотой (до шелыги свода) 2,8 м. При длине тоннеля 300 — 400 м в середине тоннеля устраивают одну камеру.
В железнодорожных тоннелях кругового очертания (например, подводных) СНиП П-Д.8-62 допускают вместо ниш устраивать с одной стороны площадку шириной 70 см на высоте не более 1 м от уровня головки рельсов с входами на площадку через 30 м. Для обеспечения хорошей видимости контур ниш и камер выделяют побелкой.
Внутреннее очертание обделки автодорожного тоннеля назначают с уче-
том размещения в пространстве между контуром габарита приближения строений и сводом вентиляционных каналов, площадь которых определяют расчетом.
В тоннелях длиной 300 м и более для ремонтного оборудования должны быть устроены камеры шириной 2 м,глубиной 2 м и высотой (до шелыги свода) 2,5 м. Камеры располагают в обеих стенах тоннеля через 300 м в шахматном порядке. В тоннелях длиной до 400 м устраивают одну камеру посередине.
Форма поперечного сечения тоннеля, удовлетворяющая перечисленным эксплуатационным требованиям, должна обеспечивать рациональную статическую работу конструкции под заданными нагрузками
Рис. 57. Размещение оборудования в тоннеле за очертанием габарита С на прямой
и соответствовать особенностям применяемых строительных материалов и способа производства работ. Необходимо стремиться к сокращению поперечного сечения выработки, с увеличением которого возрастают объемы работ и стоимость сооружения.
Значительное влияние на выбор внутреннего очертания тоннеля при заданных габаритах оказывают геологические и гидрогеологические условия его заложения, определяющие в большинстве случаев форму, материал и конструкцию обделки, а также способ производства работ по сооружению тоннеля.
Особенностью бетона, как основного материала для сооружения тоннельных конструкций, является небольшое сопротивление растяжению, которое составляет примерно одну десятую часть прочности бетона на сжатие. Поэтому для лучшего использования прочности материала и получения более экономичного решения следует стремиться к заданию такого очертания конструкции, при котором в сечениях конструкции преобладают сжимающие напряжения. Для этого кривая давления, характеризующая положение нормальных сил в сечениях обделки, должна располагаться как можно ближе к оси обделки.
При неподвижных пятах рациональная, т. е. безмоментная, ось свода, совпадающая с кривой давления, очерчена для равномерной радиальной нагрузки по круговой кривой, а для вертикальной —по квадратной параболе.
Однако практически совмещение оси свода с кривой давления представляет значительные трудности. Пяты не являются неподвижными, так как опираются на податливую породу или стены, верхние сечения которых имеют линейные и угловые смещения. В связи с этим даже в своде параболического очертания, подвергающемся действию вертикальной равномерно распределенной нагрузки, неизбежно возникновение изгибающих моментов, обусловленных смещением пят, и, следовательно, отклонение кривой давления от оси.
Усадка бетона, температурные воздействия, отклонения действительных нагрузок от расчетных также немало способствуют этому. На практике добиваются не совпадения оси свода с кривой давления, а лишь вписывания этой кривой в тело обделки так, чтобы эксцентриситет нормальной силы в "сечениях обделки не превышал 0,45 их высоты.
При этом необходимо соблюдать следующие основные правила.
1. Ось обделки должна иметь плавное очертание, так как наличие ее переломов вызывает отклонение кривой давления от оси.
2. При преобладании вертикальных нагрузок свод должен быть достаточно подъемистым, приближающимся по форме к квадратной параболе. Для этого з замковой части свода ось должна иметь кривизну, большую, чем з нижней части свода, примыкающей к стенам.
Рис. 58. Внутреннее очертание обделок транспортных тоннелей
3. При действии на обделку бокового горного давления стены должны иметь криволинейное очертание, выпуклое в сторону породы.
Перечисленным требованиям удовлетворяет внутреннее очертание обделок следующих видов (рис. 58).
В крепких породах, оказывающих лишь вертикальное горное давление небольшой интенсивности, стены могут быть сделаны вертикальными с наибольшим приближением к контуру габарита. В этом случае свод однопутного тоннеля обычно очерчивают по окружности (рис. 58, а), а свод двухпутного тоннеля — по трехцентровой коробовой кривой (рис. 58, 6), центры которой подбирают так, чтобы радиус средней части свода был равен ~ 6 м.
Применение в средней части свода более пологой кривой вызывает отклонение оси свода от рациональной. Однако при сравнительно небольшом вертикальном давлении это целесообразнее, чем увеличивать подъемистость свода и, следовательно, площадь выработки.
В породах, создающих боковое горное давление, стенам придают криволинейное очертание, способствующее лучшему вписыванию кривой давления в тело обделки. При этом внутреннюю поверхность обделки очерчивают по пятнили трехцентровой коробовой кривой.
Типовые обделки однопутных тоннелей, соответствующие габариту С высотой 6500 мм, который действовал до 1 июня 1973 г., с запасом на осадку в 10 см, имеют внутреннее очертание по трехцентровой коробовой кривой (рис. 58, в), переходящей в нижней части сечения в прямые участки. Эти обделки с некоторым запасом удовлетворяют и действующему габариту С.
Внутренняя поверхность обделки однопутного тоннеля, очерченная по пятицентровой коробовой кривой (рис. 58, г), характеризуется увеличением кривизны в средней части свода и приближается к рациональной оси для вертикальной распределенной нагрузки.
Обделке двухпутного железнодорожного тоннеля обычно придают форму трехцентровой коробовой кривой. Показанное на рис. 58, д очертание в нижней части соответствует очертанию типовой однопутной обделки, изображенному на рис. 58, г.
На рис. 58, е приведено очертание обделки автодорожного тоннеля с вентиляционным каналом, расположенным над контуром габарита. В этом случае отклонение а стены от линии габарита может быть принято минимальным (10—15 см), а расстояние b от угловой точки габарита до контура обделки и радиусы круговых кривых подбирают так, чтобы площадь вентиляционного канала соответствовала требующейся по расчету.
В неустойчивых и в особенности в водоносных породах, оказывающих на обделку всестороннее давление, наиболее целесообразно замкнутое очертание с обратным сводом кругового очертания. Кривизну свода задают так, чтобы в нижней части сечения можно было разместить водоотводный лоток (см. рис. 60, 6), а толщина балластного слоя под шпалами была не менее 25 см.
Тоннели в слабых и мягких породах, сооружаемые щитовым способом, как правило, проектируют кругового очертания, обеспечивающего наиболее целесообразную статическую работу конструкции на всестороннее давление. Такое очертание позволяет применять сборные конструкции.
Для обеспечения возможности использования стандартных элементов опалубки и оборудования внутреннее очертание обделки рекомендуется принимать одинаковым на всем протяжении прямых участков тоннеля.
Применение по длине тоннеля обделок с различным внутренним очертанием допускается при резком изменении горного давления или гидрогеологических условий, а также при наличии оползневых явлений и тектонических нарушений горного массива (сбросы, сдвиги). На таких участках конструкцию обделки усиливают, а выработку раскрывают ио частям. Поэтому применение инвентарной опалубки для бетонирования обделки невозможно даже при сохранении стандартного внутреннего очертания. В этом случае главным критерием для назначения формы тоннельной обделки является ее статическая целесообразность и удобство возведения по частям.
РАЗДЕЛ II
ТОННЕЛИ, СООРУЖАЕМЫЕ ГОРНЫМ СПОСОБОМ
Глава 8
КОНСТРУКЦИИ железнодорожных и автодорожных ТОННЕЛЕЙ
§ 28. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СООРУЖЕНИЯ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК
Материалы для соор /жения тоннельных обделок должны быть прочными, лхтговечнымн, стойкими против огня, химических и амосферных влияний обеспечивать возможность максимальной механизации работ при их применении. Наряду с этим выбор материалов следует производить с учетом жономической целесообразности и условий района строительства.
Обделки тоннелей, сооружаемых горным способом, выполняют из м о-ю л и тн о го бетона, укладываемого за опалубку или наносимого на оверхность выработки пневматическими машинами (набрызг-бетон), из мо-олитного или сборного железобетона.
В отдельных случаях в качестве материала для тоннельных обделок при-шняют монолитный бетон, армированный сетками в наиболее напряженных «ечениях, кладку из естественных или искусственных камней и чугунные или стальные элементы (тюбинги), соединяемые болтами.
Наибольшее распространение в качестве материала для тоннельных обделок имеет монолитный бетон, который обладает рядом достоинств. К ним относятся бесшовность обдел кн, способствующая повышению ее водонепроницаемости, возможность в благоприятных условиях полностью механизировать перемещение и укладку бетонной смеси, использование для ее приготовления местных материалов (песок, щебень). Недостатками бетона, как материала для тоннельных обделок, являются необходимость выдерживания бетонных сводов на кружалах до достижения достаточной прочности и малая химическая стойкость против действия агрессивных вод.
Однако отмеченные недостатки бетона в значительной степени преодолимы. Раннее раскружаливание возможно в случае применения ускорителей твердения или оставления за обделкой временной крепи, воспринимающей все нагрузки, кроме собственного веса обделки (например, оставление анкерной крепи, см. § 57).
Повышение химической стойкости бетона может быть достигнуто двумя способами, затрудняющими фильтрацию агрессивных вод. повышением плотности бетона или устройством гидроизоляции, а также применением цементов с активными гидравлическими добавками (пуццолановый и шлаковый цементы), связывающими образующуюся при твердении цементного камня гидроокись кальция.
В тоннельных конструкциях применяют бетоны с марками по прочности 200—300 и содержанием цемента не менее 240 кг/м3. Толщину элементов монолитных бетонных обделок назначают не менее 20 см.
Применение монолитного бетона целесообразно в мягких и слабых породах, требующих возведения тоннельных обделок по частям, а также в скальных породах, разрабатываемых взрывным способом, в особенности в труднодоступных районах, где создавать полигон для изготовления железобетонных изделий нерационально.
Возможно также применение монолитного бетона в сочетании с механизированной щитовой проходкой (прессованный бетон) для сооружения тоннельных обделок кругового очертания (см. § 96).
Недостатком бетона является его малая прочность на растяжение, которая составляет не более 10% прочности на сжатие при изгибе. В связи с этим размеры сечений бетонных обделок определяются в основном работой на растяжение, а их прочность на сжатие не реализуется. Этот недостаток бетона может быть преодолен применением армирования. Однако употребление монолитного железобетона (марки не ниже 200 при толщине элементов не менее 15 см) в условиях выработки, стесненной временной крепью, чрезвычайно затруднено и допустимо лишь при соответствующем обосновании. Монолитные железобетонные обделки и порталы тоннелей применяются редко, преимущественно при строительстве напорных гидротехнических тоннелей, на участках сильного горного давления и в районах с сейсмичностью 7 баллов и более. Рационально применение железобетона в виде сборных обделок из железобетонных элементов (марки бетона 300—400 при толщине элементов не менее 15 см), изготавливаемых на заводе или полигоне и монтируемых в подземных условиях.
Перспективным материалом для устройства обделок облицовочного типа в монолитных и слаботрещиноватых породах является набрызг-бетон, наносимый пневматическими машинами непосредственно на поверхность выработки или по стальной сетке, прикрепленной к породе анкерами.
Представляет интерес применение в подземном строительстве пласт-бетона — бетона, в котором связующим служит цемент, обогащенный полимерными добавками, а заполнителем — плотные смеси (песчаная или песок с добавлением щебня и гравия). Полимер заполняет пустоты в цементном камне, делая бетон более плотным и прочным, обволакивает заполнитель тонкой пленкой, повышая сцепление между цементным камнем и заполнителем, а также химическую стойкость материала и придавая ему новые свойства.
Полимерные добавки значительно повышают прочность бетона на сжатие и растяжение, предельную растяжимость, трещиностойкость и водонепроницаемость.
Дальнейшим развитием использования полимеров является применение бесцементного пластбетона с чисто полимерным связующим.
К недостаткам пластбетона по сравнению с обычным относится его повышенная ползучесть.
§ 29. КОНСТРУКТИВНЫЕ ФОРМЫ монолитных ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК
Выработка железнодорожного или автодорожного тоннеля может быть оставлена незакрепленной лишь в весьма благоприятных условиях. Это допустимо в невыветривающихся скальных породах однородного строения с незначительной трещиноватостью. В случае необходимости (например, при большей трещиноватости) кровлю выработки закрепляют стойкими против коррозии анкерами из железобетона или алюминиевых сплавов (см. § 57).
В менее благоприятных геологических условиях подземную выработку, как правило, закрепляют постоянной конструкцией — тоннельной обделкой, которая придает выработке правильное очертание, приостанавливает остаточные деформации ее контура, воспринимает развившееся горное давление, обеспечивает защиту тоннеля от проникновения подземных вод, а окружающих горных пород — от выветривания.
Конструкцию тоннельной обделки выбирают в зависимости от характера горных пород (крепость, трещиноватость, водоносность, сопротивление выветриванию и т. п.) с учетом наиболее целесообразного в данных условиях способа производства работ.
При раскрытии выработки на полное сечение с крепью, располагаемой лишь по контуру выработки (в скальных породах), применяют обделки из монолитного бетона, набрызг-бетона или сборного железобетона.
При раскрытии выработки по частям, закрепляемым по мере разработки «•роды (в мягких и неустойчивых породах), обделки выполняют из монолит-эого бетона.
Так как характер и водоносность породобычно изменяются по длине тон-эеля. на его отдельных участках применяют обделки различных типов, отличающиеся друг от друга конструктивными формами и размерами сечений. При этом на участках, где раскрытие выработки ведут сразу на полное сечение и возможно применение передвижной опалубки, внутреннее очертание обделки рекомендуется принимать постоянным. В зависимости от величины горного давления толщину обделки изменяют уступами высотой не менее 10 см.
В крепких, но выветривающихся скальных породах горное давление отсутствует. Поэтому тоннельная обделка является по существу облицовкой, предназначенной для защиты окружающих пород от выветривания и для со-транения их несущей способности. Облицовочная обделка может быть выпол-эена в виде свода, опирающегося на вертикальные стены, или из набрызг-бе-тона толщиной 10—15 см, нанесенного по стальной сетке, прикрепленной к коротким анкерам временного типа.
Во всех перечисленных случаях входные участки тоннеля (протяжением зе менее 6 м), подвергающиеся особенно интенсивному выветриванию, закрепляют обделкой, способной воспринять продольную составляющую горного давления, возникающую у порталов в неблагоприятных геологических условиях.
В монолитных скальных породах1, оказывающих только вертикальное гордое давление (/ = 6-?8), и при достаточно прочных стенах выработки тоннельная обделка может быть выполнена в виде свода, опирающегося на уступы погоды, размеры которых задают с запасом в 15—20 см, чтобы исключить возможность ослабления опор свода при взрывании штроссы (рис. 59). При этом необ-’одимо, чтобы ширина пролета была больше высоты свода не более чем в 4 раза, гак как в пологих сводах возникают значительные смещения ият, опирающихся на породу, вызывающие большие изгибающие моменты в замковой части свода.
В трещиноватых скальных породах меньшей крепости (/< 6) кровлю и стены выработки необходимо закреплять несущей обделкой. При отсутствии бокового горного давления и гидростатического давления подземных вод мож-зо применять вертикальные стены, более удобные при производстве работ н ребующие меньшего расхода бетона. В породах, оказывающих боковое горное давление или воспринимающих давление воды, применяют, как правило, обделки с криволинейными стенами.
Обычно трение в подошве стен оказывается достаточным для предотвращения сдвига стен внутрь выработки. Тогда при отсутствии давления породы или веды снизу конструкцию обделки принимают состоящей из стен и верхнего свода. Для исключения возможности сдвига стен или восприятия давления со стороны подошвы выработки (выпирание неустойчивых пород из-под стен, гидростатическое давление) устраивают обратный свод.
В качестве примеров несущих тоннельных конструкций ниже приведены запроектированные Метрогипротрансом обделки однопутных железнодорожных двухполосных автодорожных тоннелей из бетона марки 200 по прочности (марку бетона по морозостойкости выбирают в соответствии со СНиП Н-Д.8-62 в зависимости от климатических условий). Внутреннее очертание этих обделок соответствует показанному на рис. 58.
Сбделки первой группы характеризуются односторонним расположением водоотводного лотка (в случае необходимости он может быть утеплен, для чего требуется понижение уровня подошвы стены).
1 Приводимые в тексте"значения коэффициентов крепости породы по М. М. П р о-тедьяконову лишь ориентировочно характеризуют возможные области примене-?ея тех илн иных конструктивных форм. Тип обделки выбирают на основании изучения конкретных условий, в которых проходят выработку.
Типовые монолитные обделки первой группы для железнодорожных однопутных тоннелей
Показатели Типы обделок (по рис. 60)
1 1 11 1 Па I Hi
Коэффициент / крепости пород Основные размеры обделок (см. рис. 60), см: 6 3—5 3-5 1-2,5
d 30 40 40 50
30 50 50 80
dn — — 30 40
ht 110 по 155 165
Л» 90 80 80 95
b . 80 100 100 130
С — .— 110 140
Несущая способность по образованию трещин
в замке, тс/м2 4,0 7,9 7,9 20,2
Объем 1 пог. м выработки, м3/пог. м Объем бетона (марки 200) на 1 пог. м обделки 45,3 48,0 51,4 56,4
тоннеля, м3 8,6 12,1 12,7 18.2
Обделки типов I и II (рис. 60, с) предназначены для условий, в которых не требуется обратный свод. Обделки типов Па и III имеют обратный свод (рис. 60, б) с заполнением из бетона марки 100, обеспечивающим сток воды к лотку. Обратный свод очерчен из центра, смещенного влево от оси обделки на 85 см и расположенного на высоте 460 см от уровня головки рельсов. Основные характеристики обделок этой группы приведены в табл. 8.
Рис. 59. Свод, опирающийся на стены выработки:
/ — дренажный лоток: 2 — торкретное покрытие; 3 — щебеночный балласт; # — бетонная подготовка
Рис. 60. Обделки однопутных железнодорожных тоннелей с односторонними
лотками
Обделки второй группы (рис. 61) предназначены для суровых климатических условий и характеризуются наличием двусторонних утепленных лотков для отвода воды. Обделка типа I (рис. 61, а) не имеет обратного свода, обделка типа II (рис. 61, б) может быть выполнена в двух вариантах, обделка типа III (рис. 61, в) — только с обратным сводом. При отсутствии обратного свода целесообразно укладывать бетон заполнения до уровня подошв стен, так как сохранение породы между водоотводными лотками нерационально по условиям производства работ. Основные характеристики обделок этой группы приведены в табл. 9.
Таблица 9
Типовые монолитные обделки второй группы для железнодорожных однопутных тоннелей
Показатели Типы обделок
I I! III
Коэффициент / крепости пород Несущая способность по образованию трещин 6 3-5 1—2,5
з замке, тс/м2 4,5 8,9 23,0
."бьем 1 пог. м выработки, м3 Объем бетона (марки 200) на 1 пог. м обделки 43,2 48,9 59,7
тоннеля, м3 6,0 11,5 19,6
Все рассмотренные обделки имеют унифицированное внутреннее очертание. что обеспечивает возможность их сооружения с применением стандартного горнопроходческого и строительного оборудования. На кривых радиусом «Х> м обделки уширяют на 600 мм за счет раздвижки элементов передвижной опалубки при сохранении кривизны стен и свода.
В сечении автодорожного тоннеля размещают вентиляционные каналы, вследствие чего его площадь значительно превышает площадь габарита приближения строений. По размерам сечение двухполосного автодорожного тоннеля приближается к сечению двухпутного железнодорожного тоннеля.
Для габарита Г-7 запроектированы типовые обделки автодорожных тон-эелей типа I (рис. 62, а) и II (рис. 62, б). Над габаритом предусмотрено пространство для размещения вентиляционного канала площадью около 12 м2, тто достаточно для искусственной вентиляции тоннеля длиной до 1200 м. Внутреннее очертание обделок стандартное. На кривой радиусом 250 м уширение сечения на 600 мм достигается поперечной раздвижкой элементов передвижной опалубки. Основные характеристики обделок приведены в табл. 10.
Таблица 10
^Типовые монолитные обделки двухполосных автодорожных тоннелей
Показатели Типы обделок
Коэффициент f крепости пород Несущая способность по образованию трещин 6 3-5
= замке, тс/м3 6,5 10,8
Объем 1 пог. м выработки, м8 Объем бетона (марки 200) на 1 пог. м обделки 65,7 80,0
тоннеля, м3 8,9 18,3
В породах с коэффициентом крепости, равным 1—2,5, применение подковообразной обделки большого пролета нецелесообразно. Поэтому типовая обделка для этого случая имеет круговое очертание и ее собирают из железобетонных элементов.
Проезжую часть тоннеля выполняют из бетона толщиной 150 мм, основанием для которого служит порода, полученная при проходке.
Рис. 61. Обделки однопутных железнодорожных тоннелей с двусторонними утепленными лотками для отвода воды, предназначенные для суровых климатических условий (обделкн второй группы):
а — обделка типа I без обратного саода; 6 — обделка типа II; а — обделка типа III с обратным сводом
Рис. 62. Обделки автодорожных тоннелей:
I — керамическая перфорированная труба диаметром 500 мм: 2 — каменная наброске; 3 —чугунная труба диаметром 150 мм; 4 — чугунный трап площадью 300X400 мм через 100 м; 5 — коммуникации, проходящие через тоннель; б —подвеска диаметром 25 мм; 7 —стяжная муфта: 8 — железобетонное перекрытие вентиляционного канала; 9 — цементобетон слоем 150 мм
Рис. 63. Обделка с примыканием свода к стенам под углом
Рис. 64. Обделка тоннеля па косогоре
Для сброса воды из тоннеля и осушения окружающих пород служит центральный дренаж, располагаемый за пределами сечения.
Кроме тоннельных обделок приведенных типов, возможны также и другие конструкции. Обделка, имеющая перелом в месте пересечения осей верхнего свода и вертикальных стен (рис. 63), удобна в производственном отношении: свод с примыкающими к нему верхними участками стен бетонируют в первую очередь с опиранием на пол калотты.
На косогорных участках тоннельная обделка находится в условиях одностороннего горного давления, часто достигающего значительной интенсивности (рис. 64). Если при этом расстояние от обделки до склона долины невелико или порода не обеспечивает достаточный упругий отпор, конструкцию обделки устраивают несимметричной, причем массивную стену со стороны долины, толщина которой может достигать 2—3 м, рассчитывают как подпорную.
§ 30. СБОРНЫЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ОБДЕЛКИ
При проходке горным способом в мягких и неустойчивых породах, требующих раскрытия выработки по частям с постепенной заменой вынутой породы временной крепью, применение монолитных бетонных обделок является вынужденным решением, так как крепь, загромождая сечение выработки, ограничивает возможности механизации производственного процесса.
Поэтому в отдельных случаях железнодорожные тоннели в мягких и неустойчивых породах сооружают щитовым способом со сборной обделкой из железобетонных блоков или (в сложных гидрогеологических условиях) из чугунных тюбингов (см. главу 18).
В скальных породах выработку обычно раскрывают на полное сечение с постановкой крепи лишь по контуру. Сечение выработки остается свободным, благодаря чему создаются условия для полной механизации проходческих и бетонных работ, а также для применения обделок, монтируемых из железобетонных элементов.
Сборные железобетонные обделкн обладают значительной несущей способностью, и их толщина может быть принята минимальной (до 15 см). Благодаря этому значительно сокращается объем выработки. Условиями эффективного применения сборных обделок в скальных породах являются наличие вблизи от места строительства базы для изготовления железобетонных элементов и возможность точного оконтуривания выработки при взрывании. В противном случае при возникновении переборов породы за проектным контуром, требующих последующего заполнения бетоном или цементно-песчаным раствором, экономичность сборных обделок снижается прн одновременном увеличении трудоемкости работ.
На выбор конструкции сборной обделки влияет принятая технология сооружения тоннеля. Возможны две основные схемы организации работ по 76
возведению сборной обделки. В первом случае обделку возводят в непосредственной близости от забоя на расстоянии, обеспечивающем возможность подготовки основания под стены и удобного монтажа, а также исключающем опасность повреждения собранных колец обделки при взрывании породы. При этом время пребывания выработки на временной крепи сводят до минимума. После затвердения цементно-песчаного раствора, которым заполняют зазор между собранной обделкой и породой, развитие остаточных деформаций кровли быстро прекращается и горное давление стабилизируется.
При сборке обделки непосредственно у забоя в коротком призабойном пространстве сосредоточиваются все проходческие и монтажные работы, выполняемые последовательно. Вследствие этого усложняются организация и механизация работ, затрудняется устройство основания под стены обделки.
Во втором случае обделку монтируют на расстоянии 60—100 м от забоя в выработке, закрепленной на всем этом протяжении временной крепью, установленной по ее контуру. При этом заменяют временную крепь постоянной значительно позднее. Проходку и монтаж обделки можно выполнять одновременно, обделку можно собирать иа заранее устроенных фундаментах; она не подвергается действию взрывной волны.
Для тоннелей, сооружаемых горным способом, рационально подковообразное очертание, обеспечивающее достаточно хорошее приближение внутреннего контура к габаритам (с учетом размещения оборудования и вентиляционных каналов). Круговое очертание, распространенное при щитовом способе работ, в данном случае нерационально, так как требует выработки избыточного объема и устройства несущего перекрытия под проезжей частью или заполнения нижней части сечения бетоном или камнем.
Элементы обделки, имеющие по условию высокой прочности железобетона небольшую толщину, целесообразно устраивать сплошного сечения. Подробно конструктивные особенности сборных обделок изложены в главе 18. Количест-
Рис. 65. Сборная железобетонная обделка однопутного железнодорожного тоннеля
во элементов обделки назначают исходя нз условий удобного изготовления, перемещения и монтажа, а также наличия необходимых подъемно-транспортных средств. Укрупнение элементов увеличивает устойчивость обделки при монтаже, ускоряет его и уменьшает протяжение подлежащих уплотнению швов между элементами.
При сборке обделки однопутного железнодорожного тоннеля вблизи забоя целесообразно применять сравнительно небольшие блоки; для их установки можно использовать рычажный блокоукладчик.
Примером такой обделки является обделка, запроектированная для устойчивых пород с коэффициентом крепости f = 3 (на 1 пог. м тоннеля: объем выломки 46,6 м3, объем железобетона 7,4 м:‘). Такая обделка (рис. 65) состоит из шести блоков сплошного сечения. В водоносных породах сечение тоннеля принимают замкнутым. Лотковый блок для облегчения веса имеет полость, заполняемую раствором. Смежные блоки фиксируются в продольных швах монтажными шпильками 1. Для монтажа двух верхних блоков за обделкой устраивают перебор. После установки последнего блока в замковое сечение заводят составной железобетонный вкладыш 2. Вследствие отсутствия связей по поперечным граням блоков перевязка продольных швов смежных колец отсутствует.
В средних точках блоков имеются отверстия 3 для нагнетания за обделку цсментно-песчаного раствора, используемые также для подъема блоков при монтаже. По внутренним граням блоков устроены фаски, образующие чеканочную канавку 4, заполняемую гидроизолирующим составом. При сборке на некотором удалении от забоя возможно укрупнение элементов обделки.
Наиболее жесткую в поперечном направлении конструкцию, не требующую при монтаже дополнительных связей, имеет обделка, состоящая из двух блоков, опирающихся на предварительно забетонированные ленточные фундаменты. Для возможности установки блоков без устройства перебора в своде необходимо наличие заклиниваемого зазора между блоками и фундаментами.
§ 31. ЗАЩИТА ТОННЕЛЕЙ ОТ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Для обеспечения нормальной эксплуатации и долговечности тоннеля необходима защита его внутреннего пространства от подземных вод. Решить эту задачу можно двумя принципиально различными способами: герметизацией обделки тоннеля с восстановлением режима подземных вод, существовавшего до проходки выработки, или проведением мероприятий, в результате которых в окружающем тоннель горном массиве устанавливается пониженный уровень подземных вод, а сам тоннель оказывается в осушенной зоне.
Герметизации тоннеля способствуют следующие мероприятия: увеличение плотности и водонепроницаемости обделки путем подбора состава бетона по плотности и применения специальных добавок; нагнетание за обделку цементных растворов, особенно с повышающими их водонепроницаемость добавками (например, алюминатом натрия, см. § 61); устройство гидроизоляции обделки.
Наиболее целесообразно обеспечение полной водонепроницаемости материала тоннельной обделки. Поэтому для сооружения транспортных тоннелей необходима разработка таких составов бетона, которые были бы водонепроницаемыми при обычных способах укладки.
Гидроизоляция, как наиболее надежное мероприятие, особенно необходима в тоннелях, внутреннее оборудование или облицовка которых должны быть полностью защищены от вредных воздействий воды. К таким тоннелям относятся, например, тоннели метрополитена, в которых повышенная влажность недопустима по санитарно-гигиеническим соображениям и ввиду необходимости предохранения сложного и дорогого оборудования от коррозии. При проектировании гидроизоляции стремятся обеспечить ее долговечность, возможность высококачественного выполнения и экономичность.
Рис. 66. Схемы гидроизоляции обделок:
Г идроизоляцию соз-
дают по наружному или внутреннему контуру. В первом случае (рис. 66, а) давление воды прижимает гидроизоляцию к обделке, которая воспринимает суммарное горное и гидростатическое давление. Наруж-зую гидроизоляцию свода выполняют в выработке 1 небольшой высоты за пределами проектного контура з чрезвычайно стесненных условиях, вследствие чего сбеспечение ее хорошего качества, а также контроль последнего весьма затруднены. Наличие за сводом перебора, заполняемого породой, может быть причиной осадок и развития смещений вышележащей породы с увеличением гор-soro давления. Стоимость наружной гидроизоляции, требующей увеличения объема выработки, очень высока. Вследствие этих недостатков наружную гидроизоляцию по описанной схеме применяют лишь при постройке тоннелей мелкого заложения, выполняемых в открытых котлованах.
Применение новых методов крепления подземных выработок и основанного бз них способа ядра с податливой оболочкой по контуру выработки (см. § 60) аозволяет успешно применять наружную гидроизоляцию и прн строительстве тоннелей глубокого заложения.
Во втором случае гидроизоляцию устраивают по внутренней поверхности бетонной обделки (рис. 66, б); она подвергается гидростатическому давлению аоды, фильтрующейся через бетон. Гидроизоляция этого типа выполняется в удобных условиях, и ее хорошее качество всегда может быть обеспечено. Однако она лишь преграждает воде путь внутрь тоннеля, а бетонная обделка пропитывается водой, что необходимо иметь в виду в случае агрессивности эоды. Косвенно внутренняя гидроизоляция все же защищает н бетонную обделку, так как прекращение движения через нее подземных вод препятствует взменению их химического состава.
Наибольшее распространение имеют жесткая н гибкая (оклеенная) гидроизоляции. Жесткая гидроизоляция представляет собой водонепроницаемую еементную штукатурку (торкрет) 4 толщиной до 40 мм, наносимую на обделку пневматическим способом. Жесткую гидроизоляцию из стальных листов, прикрепляемых к обделке анкерами, применяют лишь в особо ответственных сооружениях (станции метрополитенов, гидротехнические тоннели с большим на-&:>ром воды н т. п.).
При напоре подземных вод до 5 м вод. ст. можно применять неармирован-вое покрытие из цементного раствора, обладающего малой усадкой (например, ьа ВБЦ), или из аэрированного цементного раствора. Такой опыт имеется 5 ЧССР. При больших напорах торкрет наносят по стальной сетке, прикрепленной анкерами к телу обделки. При этом на обделку передается и горное, * гидростатическое давление.
Торкрет в качестве гидроизоляции применяют в гидротехнических тон-велях, в которых он прижимается водой к поверхности обделки, или в тон-елях с малыми колебаниями температуры внутри (например, автодорожные тоннели или тоннели метрополитена) при отсутствии опасности неравномерных кадок сооружения и небольших напорах подземных вод.
В сложных геологических и гидрогеологических условиях при напорах Юмвод.ст. применяют оклеенную гидроизоляцию 2 (см. рис. 66, б) из битумной мастики, армированной двумя — четырьмя слоями рулонного изоля-гэонного материала (гидроизол, металлоизол, стеклоткань и пр.).Оклеечная гидроизоляция поддерживается железобетонной оболочкой <?, воспринимающей
гидростатическое давление. При этом бетонная обделка работает только на горное давление.
Оклеенная гидроизоляция обеспечивает полную герметизацию тоннеля и вследствие своей гибкости сохраняет водонепроницаемость при деформациях тоннельной обделки. Однако ее применение связано с устройством внутренней оболочки и соответствующим увеличением объема выработки и должно быть обосновано в технико-экономическом отношении.
При строительстве железнодорожных тоннелей наиболее целесообразно сочетание торкретирования внутренней поверхности обделки с проведением мероприятий по ее уплотнению и нагнетанию за обделку цементного раствора с добавками. При необходимости можно также устраивать оклеечную гидроизоляцию.
Осушения горного массива, прорезаемого тоннелем, достигают с помощью поверхностного водоотвода, дренажных устройств и противофильтрационных завес.
Поверхностный водоотвод имеет особое значение, если атмосферные осадки, поступающие к тоннелю с поверхности, являются одним из основных источников питания подземных вод. Поверхностный водоотвод предназначен для быстрого удаления поверхностных вод из надтоннельной полосы и предотвращения их просачивания в глубь горного массива.
Для этого планируют надтоннельную полосу с устройством нагорных канав (уклон 3—4%), перехватывающих, собирающих и отводящих атмосферные осадки. В водопроницаемых грунтах дно и откосы канав покрывают водонепроницаемой одеждой (из бетона, асфальта, глины).
Растительность (деревья, кусты) содействует задержанию поверхностных вод на склонах горы. Поэтому в надтоннельной полосе целесообразно ее удалять. При наличии над тоннелем водотоков и водоемов принимают меры по нх отводу из надтоннельной полосы или обеспечению водонепроницаемости русла. Русла тальвегов также подлежат уплотнению.
При проектировании поверхностного водоотвода используют методы, принятые в практике мелиорации, при этом учитывают размеры водосборной площади, количество осадков, интенсивность испарения и свойства грунтов.
В общем случае горный массив вокруг тоннеля может быть осушен с помощью дренажа. Дренаж вызывает непрерывный поток подземных вод через окружающие обделку породы и может быть рекомендован, если не приведет к их ослаблению. Условием применения дренажа является невымываемость, невыщелачиваемость и нерастворимость скальных или полускальных пород, а в несвязных породах — наличие достаточно высокого коэффициента фильтрации (не менее 5 м/сутки).
Надтоннельная поверхность и водоносные пласты могут быть осушены посредством сброса воды через вертикальные скважины, пробуренные до трещиноватых сухих пород, лежащих ниже водоупора, подстилающего водоносный пласт. При опасности выноса грунтовых частиц в скважинах монтируют фильтры. Дренаж такого вида является самотечным.
В случае явно выраженного потока подземных вод, перекрытого водоупором, применяют дренажные штольни.
Дренажную штольню закладывают с верховой стороны потока, чтобы наиболее полно перехватить поступающие к тоннелю воды. Заполнение штольни фильтрующим материалом нецелесообразно, так как затрудняет эксплуатацию штольни. Штольню обычно устраивают с фильтрующей крепью из камня, бетонных блоков, обеспечивающей ее бесперебойную и длительную эксплуатацию. В дне штольни устраивают лоток для самотечного отвода поступающей воды. Чтобы исключить возможность замерзания воды, штольни и связанные с ней выводные лотки и трубы утепляют.
Во всех случаях дренажные штольни следует закладывать на достаточном от тоннеля расстоянии (10—15 м), чтобы исключить возможность проникновения к ним цементного раствора, нагнетаемого за обделку (рис. 67). В противном случае дренирующая способности штольни будет уменьшена.
Проектирование такого дренажа выполняют с учении свойств породы и мощности водоносного слоя способами, принятыми в гидротехнике.
В исключительных случаях в качестве дренажной выработки может быть использован сам тоннель. Это допустимо, когда в мас-
Зона
.Воронка I \ депрессии |
Пьезометрический ^^ГуривенЬ- подземных в'од
Рис. 67. Штольневой дренаж
-Дренажная штольня
сиве из крепких неразмы-
ваемых пород имеется сосредоточенный приток подземных вод при большом гидростатическом давлении. Организованный допуск подземных вод в тоннель обеспечивается в этом случае путем устройства каптажа за обделкой и отвода воды по водоотводному лотку. Каптаж воды за обделкой следует устраивать без нарушения совместной работы обделки и окружающей породы, т. е. на большей части протяжения тоннеля обделка должна плотно прилегать к породе.
Этим условиям удовлетворяет, например, следующая система (рис. 68). По внутренней поверхности подковообразной обделки через 8—15 м (в зависимости от трещиноватости и обводненности пород) устраивают поперечные штрабы трапециевидного сече-кжя, из которых (после нагнетания за обделку) в радиальном направлении бурят шпуры I диаметром 75—100 мм и глубиной 3—4 м. Чтобы шпуры охватывали больший объем •ороды, их бурят попеременно с наклоном под углом 60 и 120° к продольной оси тон-•едя. Вода, поступающая в шпуры, попадает в асбоцементный короб 2, расположенный в поперечных штрабах обделки н прикрепленный стальными хомутами к анкерам, заделанным в обделку. Из короба вода стекает по асбоцементным трубам 3 диаметром 150 мм в водоотводный лоток, расположенный по осн тоннеля или у каждой из стен.
В местностях с суровым климатом допуск воды в тоннель не рекомендуется •з-за образования наледей, а также возможного разрушения пропитанной водой обделки при переменном замораживании и оттаивании.
Для ослабления притока воды к тоннелю и одновременного укрепления горных пород могут быть применены противофильтрационные завесы, широко используемые в гидротехнике.
Для преграждения пути движению потока подземных вод к тоннелю, «летающему на водоупоре, устраивают глубинные завесы путем нагнетания тампонажных растворов через скважины, пробуриваемые с поверхности или «посредственно из выработки.
Тип противофильтрационной завесы и характер нагнетаемых в скважины растворов выбирают в зависимости от свойств укрепляемых грунтов и в особенности от их коэффициента фильтрации. Расположение скважин должно обеспечивать непрерывность противофильтрационной завесы на всем ее протяжении, что контролируется определением водопоглощения через контрольные скважины.
Направление скважинам задают такое, чтобы •ян пересекли наибольшее иичество трещин и контактов между пластами порох Скважины глубинной «весы заглубляют в водо-ЧЖф так, чтобы основание «весы располагалось в поршах с удельным водопо-кжжнением не более
0,01 л/мин Диаметр скважин принимают минимально возможным по условиям нагнетания.
В зависимости от вида тампонажных растворов различают цементацию, силикатизацию, глинизацию, горячую и холодную битумизацию.
Наибольшее значение при строительстве тоннелей имеет цементация, при которой цементный раствор нагнетают в толщу пород, окружающих тоннель (глубинная цементация), или в возможный зазор между обделкой и поверхностью выработки (нагнетание за обделку).
Глубинную цементацию выполняют на глубину до 10 м через радиальные скважины под давлением от 5 до 40 ат и более, причем наибольшие давления соответствуют мелкотрещиповатым породам (размер трещин меньше 0,5 мм). Число, глубину и расположение скважин назначают в соответствии с конкретными геологическими и гидрогеологическими условиями горного массива.
Глубинная цементация обеспечивает повышение прочности и упругих свойств окружающих пород и снижает до минимума фильтрацию воды к тоннелю или из него (это относится к напорным гидротехническим тоннелям).
Нагнетание за обделку выполняют для обеспечения совместной работы обделки с окружающими породами и уменьшения водопроницаемости конструкции. Нагнетание за обделку цементных растворов возможно и необходимо во всех породах, кроме плывунных и водонасыщенных песков (см. § 61).
§ 32. ВОДООТВОДНЫЕ УСТРОЙСТВА
Для сбора и удаления воды, конденсирующейся на обделке из газов, образующихся при сгорании топлива, просачивающейся через дефектные места обделки или попадающей в тоннель при его мытье, устраивают водоотводные лотки. При балластном основании пути лотки, обычно собираемые из железобетонных коробчатых элементов с боковыми отверстиями, располагают под балластным слоем и закрывают железобетонными крышками.
Вода стекает к лоткам по выравнивающему бетонному слою, уложенному с поперечным уклоном 2%.
В однопутных тоннелях лоток размещают около одной из стен, подошву которой соответственно заглубляют (см. рис. 60, а), или около обеих стен, а в двухпутных тоннелях — по оси междупутья. При таком расположении лотка облегчается доступ к нему для осмотра и очистки.
При наличии обратного свода водоотводный лоток однопутного тоннеля располагают у одной из стен в слое бетонного заполнения, что вызывает необходимость устройства несимметричного обратного свода (см. рис. 60, б) и рас-
положення подошв стен на разных уровнях или с обеих сторон (см. рис. 61, б, в). Размещение водоотводного лотка по оси однопутного тоннеля неудобно по условиям эксплуатации.
Рис. 69. Утепленные водоотводные лотки
В тоннелях, расположенных в местностях с суровыми климатическими условиями, лотки должны быть утеплены для предотвращения замерзания воды. Для этой цели над лотком / обычно укладывают слой отсортированного шлака 2, поддерживаемый блоками 3 из легкого бетона и защищенный свер-
Рис. 70. Водоотвод при железобетонном рамно-лежневом основании пути
г. крышкой от загрязнения (рис. 69). Следует отметить, что при намокании с.тлка заметно снижаются его теплоизоляционные свойства.
Более целесообразно применять для утепления лотков пенопласты с замк-жуто-ячеистой структурой (например, марок ППУ, ПС, ПУ), которые обла-жмот малой теплопроводностью, низким водопоглощением и морозостойкостью 1 широком интервале температур (± 60° С).
Для возможности очистки и осмотра лотка без нарушения теплоизоляции ю длине его через каждые 25 м устраивают смотровые колодцы сечением ® 100 см, имеющие отстойник глубиной 15 см.
Наиболее эффективным мероприятием, предотвращающим замерзание в лотках, является разработанная Метрогипротрансом система подогрева грунтовых вод, поступающих в тоннель. Для подогрева используют электро-'ЖЕЛовые подогреватели ТЭН. Эту систему применяют в двух вариантах: с ие-трерывным подогревом, осуществляемым по всей длине лотка, или с периодическим подогревом воды в колодцах, расположенных по его длине.
Водоотводные лотки заканчиваются в подходной выемке (в непосредствен-зс4 близости от портальной стенки) смотровыми колодцами, из которых вода по трубам или закрытым поперечным лоткам с уклоном не менее I % отводится з советы.
В суровых климатических условиях особое внимание следует уделять утеплению мест вывода дренажной воды из тоннеля, а также кюветов. Для jtl-го кюветы обычного профиля заменяют траншеями глубиной до 2 м, стены
которых закрепляют досками. По высоте траншею делят перекрытиями из досок на три части: нижняя — собственно кювет — предназначена для пропуска воды, среднюю заполняют утеплителем (например, шлаком), а верхнюю — снегом.
При устройстве пути на жестком основании водоотводный лоток устраивают в путевом бетоне по оси пути. В тоннелях метрополитена, где температура воздуха положительна, лотки имеют открытое сечение шириной 900 мм, что облегчает смену шпал-коротышей. В железнодорожных тоннелях лотки открытого типа не получили распространения вследствие возможности намерзания в них льда в зимнее время. Однако в условиях умеренного климата и при расположении тоннеля на уклоне, обеспечивающем быстрый сток воды, такое решение может оказаться целесообразным для тоннелей кругового очертания в неустойчивых породах, так как дает возможность уменьшить диаметр обделки и щита, применяемого для проходки.
В решении Метрогипротранса (рис. 70) водоотвод сочетается с дренажем окружающего горного массива. Лоток в путевом бетоне 1, расположенный между рельсами на рамно-лежневом железобетонном основании 3, перекрыт крышками и имеет по длине колодцы, через которые вода сбрасывается в дренажное устройство 4. Оно состоит из керамических труб диаметром 200 мм с отверстиями в верхней части, уложенных в заполненную дренирующим материалом траншею, расположенную ниже плоского лотка 2 (рис. 70, а) или обратного свода 2 обделки (рис. 70, 6). Заглубление труб описанного дренажа назначают в зависимости от конкретных температурных условий.
В автодорожных тоннелях проезжей части придают поперечный уклон 2% от оси к стенам (см. рис. 62, а, б). Вода, текущая вдоль защитных полос, перехватывается чугунными колодцами-трапами 4, расположенными через 50—100 м, из которых по чугунным трубам 3 диаметром 150 мм отводится в центральный дренаж -- перфорированную керамическую трубу 1 диаметром 500 мм, уложенную в траншее, заполненной камнем. По длине дренажа через каждые 100 м устраивают смотровые колодцы.
§ 33. ПОРТАЛЫ И ОГОЛОВКИ
Переход от тоннеля к выемке, обычно называемой предпортальной, осуществляется при помощи портала для обеспечения устойчивости лобового и боковых откосов выемки, отвода воды с лобового откоса и архитектурного оформления входа в тоннель. В состав портала входят: торцовая стена с входным отверстием, в зависимости от рельефа местности располагаемая перпендикулярно оси тоннеля (прямой портал) или под углом к ней (косой п о р -г а л), водоотводная канава и первое кольцо обделки, в наибольшей степени подвергающееся выветриванию и иногда облицовываемое кладкой из естественного камня.
Для устройства портала выполняют срезку и укрепление лобового откоса. Торцовая стена связывается с первым кольцом обделки с помощью арматуры или отрезков прокатных профилей и опирается непосредственно иа боковые откосы выемки, в которые заделывается на необходимую глубину (рис. 71). В недостаточно устойчивых грунтах торцовая стена может опираться на продольные подпорные стены, поддерживающие откосы предпортальной выемки. Такое решение облегчает статическую работу торцовой стены и одновременно способствует уменьшению объема предпортальной выемки. Подошвы торцовой и боковых портальных стен заглубляются относительно низа кюветов в соответствии с глубиной промерзания грунтов в их основании.
Вода, стекающая с лобового откоса, перехватывается поперечной водоотводной канавой, расположенной за торцовой стеной, и отводится с уклоном 2% в продольные канавы, устроенные по верху откосов выемки, или — в условиях теплого климата — в кюветы по чугунным трубам, заложенным за торцовой стеной.
Откосы и дно канав защищают от размыва и просачивания воды мощением или бетонным покрытием.
Дно канавы располагают не ниже чем на расстоянии 1,5 м от верха тоннельной обделки для с^еспечения слоя породы, достаточного для амортизации возможных ударов камней, скатывающихся с лобового откоса.
Ввиду воможности падения камней с лобового откоса и для предотвраще-ш? попадания их на пути или на проезжую часть дороги расстояние от низа жабового откоса до портальной стены принимают не менее 1,5 м, а парапет сте-в. — ие менее чем на 0,5 м выше верха канавы.
Крутизну откосов предпортальной выемки можно назначать в соответст-ша с данными табл. И в зависимости от коэффициента / крепости породы. Жрутизну лобового откоса выемки целесообразно принимать на одну катего-рво положе.
Таблица 11
Крутизна откосов предпортальной выемки
В крепких скальных породах с лобовыми откосами, близкими к отвесным, ввдает необходимость в их поддержании и отводе воды, собирающейся с не-fcOQOH площади. В этом случае для архитектурного оформления входов Ввгаель устраивают параллельные лобовому откосу оголовки, представляю-к собой облицовку из бетона или естественного камня по контуру входного верстая. а иногда и части лобового откоса. Однако и в этом случае конструк-ВВ оголовка должна предусматривать защиту от падения камней на пути или ^вмую часть дороги.
РАСЧЕТ МОНОЛИТНЫХ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК ПОДКОВООБРАЗНОГО ОЧЕРТАНИЯ
§ 34. НАГРУЗКИ
Конструкции подземных сооружений рассчитывают на наиболее невыгодные сочетания нагрузок и воздействий. По степени вероятности возникновения различают основные, дополнительные и особые сочетания нагрузок.
Основные сочетания нагрузок состоят из постоянных нагрузок (собственный вес конструкции, горное и гидростатическое давления) и временной нагрузки от веса подвижного состава.
Дополнительные сочетания нагрузок состоят из постоянных нагрузок, входящих в основные сочетания, с добавлением временных нагрузок, возникающих в период строительства (давление на обделку нагнетаемого за нее цементного раствора, внутреннее давление сжатого воздуха, вес строительного оборудования, усилия щитовых домкратов) или эксплуатации тоннеля (усадка бетопа, колебания температуры).
Особые сочетания нагрузок состоят из постоянных и временных нагрузок основного сочетания с добавлением особого воздействия (сейсмического1 * или ударного).
Наибольшее практическое значение имеет расчет на основное сочетание нагрузок. На другие случаи сочетаний нагрузок обычно производят лишь проверку. При этом величины расчетных нагрузок (кроме собственного веса) умножают иа коэффициент, который при учете дополнительного сочетания равен 0,9, а при учете особого сочетания — 0,8.
Собственный вес конструкции определяют по предварительно заданным размерам сечений (объемный вес бетона, укладываемого с вибрированием, -уб = 2,4 тс/м®).
Нормативное горное давление определяют в зависимости от конкретных условий по теории сводообразования или с учетом веса полного столба вышележащих пород.
В первом случае СНиП П-Д. 8-62 разрешается принимать в качестве нормативной вертикальной нагрузки равномерно распределенную нагрузку с интенсивностью, равной произведению объемного веса у породы на высоту hx свода давления (рис. 72):
= = , (43)
где В — пролет нарушенной зоны, определяемый по формуле (9);
у — объемный вес породы (ниже уровня подземных вод объемный вес определяют с учетом взвешивания в воде).
Для грунтов с открытыми порами объемный вес (те м3)
(44)
где у0 — удельный вес скелета грунта, тс/м3;
е — коэффициент пористости.
1 В соответствии со СНиП II-A. 12-62 сейсмические воздействия на сооружения
учитывают при сейсмичности местности, равной 7 баллам или более. Подземные соору-
жения находятся в отношении сейсмических воздействий в благоприятных условиях, так как обычно имеют небольшую высоту и плотно защемлены в окружающем массиве, который препятствует их смещениям. Наибольшей опасности подвергаются тоннели неглубокого заложения (до 50 м) , в особенности порталы и припортальные участки, которые вследствие этого при глубине заложения до 15 м выполняются из монолитного железобетона.
Нормативное боковое давление на стены обделки определяют как давление на вертикальную подпорную стену, призма сползания которой загружена частью веса вывала. При этом следует иметь в виду, что жесткость стен выработки значительно превышает жесткость конструкции. Поэтому при осадке вывала на призму сползания передается вертикальная нагрузка, которая больше, чем вес части вывала, находящейся непосредственно над нею.
Нормативное боковое давление определяют с учетом передачи на призмы сползания равномерно распределенной нагрузки с интенсивностью qn. При этом расчет разрешается производить на горизонтальную равномерно распределенную нагрузку с интенсивностью, соответствующей середине высоты обделки:
р* = I — fg2 ( 45°--------— . (45)
В однородных породах с пологим напластованием при f 2 определенное таким образом боковое горное давление незначительно и в запас прочности конструкции его обычно не учитывают. В сильно трещиноватых породах, особенно при расположении тоннеля по простиранию крутопадающих пластов, следует считаться с возможностью одностороннего бокового давления.
В слабых породах, где образование несущего свода над выработкой исключено, или при недостаточной прочности несущего свода в устойчивых породах нормативное горное давление определяется весом столба пород, расположенных над выработкой (рис. 73). В этом случае нормативная вертикальная нагрузка oi горного давления
<7н = 2угЛг. (46)
Нормативное боковое горное давление в сечении, расположенном на расстоянии у от шелыги свода, определяют по формуле
Р” = q* tg2 45° -, (47'.
где 7^'—вес породы, расположенной выше рассматриваемого сечения;
Фн — нормативное значение угла внутреннего трения.
Для скальных трещиноватых пород ЦНИИС Минтрансстроя рекомендует схемы нагрузок на обделку или временную крепь в зависимости от степени трещиноватости (рис. 74). В слабо трещиноватых породах (рис. 74, а) действует только вертикальное давление от веса вывала. В трещиноватых и сильно тре-
Рнс. 72. Схема к определению горного даз- Рис. 73. Схема к определению горного давления при сводообразовании ления от веса полного столба
щиноватых породах (рис. 74, б и в) вертикальное и горизонтальное давление учитывают совместно или каждое в отдельности. При этом место вывала может располагаться в любом месте пролета. В раздробленных породах (рис. 74, г) действует одновременно и горизонтальное, и вертикальное давление по всему контуру выработки.
Интенсивность нормативных нагрузок от горного давления определяют по формулам:
<7" = 0,35^^уЛ; 1 р« = 0,19КиКэуЛ-, |
(48)
где q» — интенсивность вертикальной нормативной нагрузки, тс/м2; рн — интенсивность горизонтальной нормативной нагрузки, тс/м2;
Kj и К2- коэффициенты соответственно для вертикальной и горизонтальной нагрузок, зависящие от степени трещиноватости пород и назначения конструкции (табл. 12);
К3 — коэффициент, зависящий от прочности пород и принимаемый равным 1,5 для слабых пород, а также для выветриваемых и размокаемых пород средней крепости и равным единице во всех остальных случаях (в том числе для раздробленных пород);
у — объемный вес породы, том3;
L — пролет выработки, м;
Н — высота стен выработки, м (при отсутствии четких границ между сводом и стенами можно принимать Н — ~ Нт, где Н — полная высота выработки).
В трудных инженерно-геологических условиях рекомендуется устанавливать величину и характер распределения горного давления на основе данных натурных измерений и лабораторных исследований на моделях (см. § 19).
Гидростатическое давление подземных вод передается на бетонную обделку в случае наружной гидроизоляции или если внутренняя гидроизоляция надежно соединена с бетоном обделки (например, торкрет по стальной сетке, прикрепленной к анкерам, заделанным в бетон). При внутренней оклеенной гидроизоляции гидростатическое давление воспринимается железобетонной оболочкой.
Нормативное гидростатическое давление определяется положением обделки относительно свободного уровня грунтовых вод или пьезометрического уровня напорных вод. Гидростатическое давление может улучшать статическую работу обделки. При положении пьезометрического уровня подземных вод выше свода обделки возрастают нормальные силы при сравнительно малом увеличении изгибающих моментов, так как горное давление определяется с учетом взвешивания в воде. При низком уровне воды гидростатическое давление ограничивает деформации стен в сторону породы и облегчает работу верхнего свода. Поэтому учет гидростатического давления должен производиться при достаточном обосновании. Необходимо иметь
Рис. 74. Горное давление в трещиноватых скальных породах по данным ЦНИИСа
в виду возможность понижения уровня подземных вод, например, при проведении выработок вблизи тоннеля.
Значения коэффициентов Ki и К2
Таблица 12
л Обделка Временная крепь
Породы Ki К2 Ki к2
Слабо трещиноватые 1,0 — 0,57 —
Трещиноватые 1,71 1,00 1,14 0,60
Сильно трещиноватые 2,15 1,43 1,21 0,72
Раздробленные 3,89 3,60 11 Гр 2,06 j 11 Гр
Вес железнодорожного подвижного состава в устойчивых породах передается непосредственно на породу, а при наличии обратного свода — через него. В обоих случаях воздействие подвижного состава в малой степени влияет на усилия в верхней, наиболее напряженной части обделки. По аналогичным соображениям лишь при движении транспортных единиц по перекрытию над нижним вентиляционным каналом в качестве нормативной нагрузки принимают автомобильную нагрузку Н-30 или колесную нагрузку НК-80.
Нормативные строительные нагрузки принимают в соответствии с конкретными характеристиками используемого при сооружении тоннеля оборудования (вес агрегатов, предельное давление нагнетания, давление сжатого воздуха, усилия, число и расположение щитовых домкратов).
Расчетные нагрузки получаются умножением нормативных нагрузок на коэффициенты перегрузки п, значения которых принимают с учетом характера влияния данной нагрузки на работу конструкции.
Согласно СНиП П-Д.3-62 для постоянных нагрузок принимают следующие коэффициенты перегрузки: от собственного веса монолитной бетонной обделки — 1,2, сборной железобетонной обделки — 1,1; от вертикального горного давления при сводообразовании — 1,5, при учете веса всего столба породы — 1,1; от бокового горного давления — 0,8 или 1,2; от гидростатического давления — 0,9 или 1,1. При двух значениях коэффициента перегрузки принимают коэффициент, введение которого создает более неблагоприятные условия работы конструкции.
При определении величины горного давления с учетом степени трещиноватости скальных пород (см. стр. 88) коэффициенты перегрузки пА и п2 (соответственно для вертикального и бокового давления) принимают по табл. 13.
Таблица 13
Коэффициенты перегрузки для трещиноватых скальных пород
Породы
Коэффициенты перегрузки слабо трещиноватые трещиноватые сильно трещиноватые раздро бленные
«1 1,4 1,35 1,30 1,25
«2 1,2 1,2 1,2 1,2
Временные нагрузки вводят со следующими коэффициентами перегрузки: строительная — 1,3; автомобильная — 1,4; колесная — 1,1. При этом автомобильную нагрузку учитывают с коэффициентом динамичности, равным 1,3.
§ 35. УПРУГИЙ ОТПОР ПОРОДЫ
Тоннельные обделки, сооружаемые горным или щитовым способом, являются конструкциями распорного типа, работающими в упругой среде. Зазор между обделкой и стенами выработки, образующийся в процессе про-
ИШППШЖЕ
I)
Рис. 75. Схема возникновения упругого отпора породы
изводства работ, плотно заполняется цементным раствором, нагнетаемым под значительным давлением (до 5 кгс/см2). Это обеспечивает совместность деформаций обделки и горных пород и дает возможность рассматривать конструкцию и окружающую среду как единую упругую систему.
Под действием внешних активных нагрузок тоннельная обделка (рис. 75) деформируется, изменяя свое положение относительно контура выработки. На той части контура, где перемещения обделки происходят в сторону выработки, обделка деформируется свободно, не взаимодействуя с породой. Эта часть контура носит название безотпор-ного участка и характеризуется возникновением в обделке значительных изгибающих моментов.
На остальной части контура тоннельная обделка смещается в сторону породы, вызывая с ее стороны сопротивление — упругий отпор, ограничивающий деформации конструкции и возникающие в ней моменты.
Первые работы, основанные на рассмотрении упругого взаимодействия стен тоннельной обделки и подземной выработки, принадлежат проф. С. С. Давыдову, опубликовавшему еще в 1934—1935 гг. методику расчета обделки с массивными вертикальными стенами.
В настоящее время необходимость расчета тоннельной обделки как конструкции, работающей совместно с окружающей ее упругой средой, общепризна-на. Для возможности определения усилий в такой обделке необходимо установить зависимость между напряжениями а и радиальными деформациями и на контуре выработки.
В соответствии с экспериментальными данными при изменении давления на породу в небольших пределах наблюдается линейная зависимость между напряжениями и деформациями. В случае подземных сооружений давление на породу по контуру выработки изменяется от первоначального давления, определявшегося весом вышележащих пластов, до давления, создаваемого конструкцией, т. е. в сравнительно небольших пределах. Это дает право применять для исследования напряженного состояния пород, расположенных вокруг выработки, методы теории упругости независимо от того, обладают породы упругими свойствами или не обладают ими, что обосновано работами проф. Н. М. Герсеваиова. Такую среду обычно принято называть линейно-деформируемой. Ее способность деформироваться характеризуется модулем Ео общей деформации и коэффициентом р0 поперечной деформации, получаемыми из эксперимента в выработке данного размера с учетом степени трещиноватости горных пород.
Теория общих деформаций, основанная на рассмотрении горных пород как линейное деформируемой среды и применении методов теории упругости, дает наиболее правильно-прсдставление о деформациях контура подземной выработки. Однако ее применение в случае выработок сложного очертания представляет значительные трудности. Зависимость между напряжениями и деформациями на контуре получена лишь для круговой выработки канд. техн, наук С. А. Орловым, Для выработок подковообразного очертания, имеющих наибольшее распространение при строительстве тоннелей горным способом, достаточно обоснованные решения этой задачи отсутствуют.
Первая работа в этом направлении принадлежит проф. С. С. Давыдову, предложившему в 1939 г. метод расчета тоннельных обделок с вертикальными стенами в линейно-дсформируемой среде. Стены обделки рассматриваются как прямые брусья постоянного сечения, опирающиеся двумя гранями на несвязанные друг с другом взаимно перпендикулярные упругие слои (рис. 76, а). Толщина слоев: вертикальных Яв и горизонтальных /7Г определяется из условия, что в их толще происходит основная часть влияющих на работу конструкции деформаций окружающего горного массива.
Полученные проф. С. С. Давыдовым зависимости дают возможность найти осадки поверхности упругого слоя от действия приложенных к нему нормальных усилий и, следовательно, рассчитать обделку с учетом смещения ее стен.
Предложенное решение является приближенным, так как в действительности стены обделки опираются не на разобщенные упругие слои, а на стенки выреза в линейно-дефор-90
мируемом массиве (рис. 76, б), связанные между собой породой, расположенной в кровле и подошве выработки (на рисунке заштрихована). Наличие этой связи, несомненно, влияет на деформативность стен выработки.
Поэтому в практике проектирования обычно пользуются теорией местных деформаций, базирующейся на предложенной Винклером гипотезе о прямой пропорциональности между напряжениями и деформациями:
о = ки, (49)
Рис. 76. Схема опирания стен на породу при расчете по методу проф. С. С. Давыдова
где к — коэффициент упругого отпора, кгс/см3 или тс/м3.
Согласно этой гипотезе нагрузка вызывает осадки поверхности лишь в точке ее приложения (местные деформации). В действительности при рассмотрении среды как линейно-деформируемой нагрузка, приложенная на любой площадке, вызывает осадки всей поверхности упругого массива (общие деформации).-
Коэффициент упругого отпора не является физико-механической характеристикой горной породы, так как зависит не только от ее свойств, но и от целого ряда трудно учитываемых факторов (форма и размеры площади основания, интенсивность нагрузки, условия залегания пород, жесткость конструкции и т. п.). Увеличение загруженной площади способствует распространению деформаций на больший массив породы и вызывает уменьшение коэффициента упругого отпора. В нескальных и трещиноватых скальных породах при увеличении интенсивности нагрузки коэффициент упругого отпора уменьшается, тогда как в ненарушенных скальных породах он остается неизменным. При приложении нагрузки вдоль пласта коэффициент упругого отпора имеет большее значение, чем при действии усилий в перпендикулярном напластованию направлении.
Таким образом, теория местных деформаций довольно несовершенно отражает существующую зависимость между напряжениями и деформациями загруженной поверхности. Тем не менее основанные на ней методы статического расчета вследствие их простоты и наглядности получили широкое распространение.
Для некоторых частных случаев конструкций и нагрузок величина коэффициента упругого отпора может быть выражена через физико-механические характеристики породы Ео и р,0 и размеры выработки по формулам, полученным на базе теории общих деформаций. Так, при воздействии на круговую тоннельную обделку радиуса г внутреннего равномерно распределенного радиального давления коэффициент упругого отпора определяют по формуле акад. Б. Н. Галеркина
Во г (1 +н°)
(50)
В остальных случаях при проектировании пользуются данными, часто носящими случайный характер и изменяющимися в широких пределах.
Подобная приближенная оценка деформативной способности горных пород не соответствует современному уровню развития методов расчета и проектирования подземных конструкций и допустима лишь в стадии разработки проектного задания. Поэтому большое значение имеют исследования деформаций горных пород в условиях естественного залегания при нагрузках, близких'к тем, которые создаются в основании реальной конструкции.
Наиболее простым способом экспериментального определения коэффициента упругого отпора является метод штампов. Сущность его заключается в установке на выровненных площадках в кровле и подошве (илн стенах) выработки жестких плит (штампов), распираемых мощными гидравлическими или масляными домкратами. Изменение расстояния А между штампами связывается с величиной созданного на штампы давления о, что дает возможность определить значение коэффициента кш упругого отпора, соответствующее дайной форме и площади Fm штампа:
2а
«ш = —.
(51)
При увеличении площади передачи нагрузки до величины F значение коэффициента упругого отпора уменьшается. В соответствии с аналитической зависимостью для осадки жесткого штампа
к = кш
/ V-
(52)
Справедливость приведенной формулы подтверждается [опытными данными, если F < 10 м2.
Метод штампов в изложенном виде дает лишь грубое представление о де-формативности пород, окружающих выработку, так как условия передачи нагрузки через штамп сильно отличаются от существующих в натуре. Тоннельная конструкция имеет жесткость, отличающуюся от жесткости штампа, и создает давление на породу не по плоской площадке, а по криволинейной поверхности. Ограниченные размеры штампа затрудняют обоснованный переход к действительной площади контакта обделки с породой и создают возможность влияния на результаты испытания местных нарушений основания.
В экспериментах, проведенных ЦНИИСом Минтрансстроя, в качестве штампов, вдавливаемых в породу, использовались элементы обделки кругового очертания. В этом случае были получены более достоверные результаты, так как учитывались кривизна и жесткость конструкции с размерами, соответствующими натуре.
Методика, разработанная и испытанная ЦНИИСом Минтрансстроя, состоит в следующем. Коэффициент упругого отпора определяют на опытных участках тоннеля кругового очертания, в состав верхней половины обделкн которого входят измерительные элементы с наружной полостью, заполненной пластичным битумом (см. рис. 41). Залавливая в полости двух элементов, смежных с замковым сечением (рис. 77), дополнительное количество битума, можно обеспечить контролируемое увеличение нагрузки на обделку и измерить соответствующее ему изменение Ad горизонтального диаметра, а также приращение До интенсивности упругого отпора на боковые части конструкции.
Отсюда коэффициент упругого отпора для выработки диаметром d
2Да
Ad
(53)
Для выработки другого диаметра D величина коэффициента упругого отпора может быть приближенно определена по формуле
Рис. 77. Экспериментальное определение коэффициента упругого отпора породы
D ’
(54)
При расчете обделок, очертание которых отличается от кругового, в эту формулу может быть подставлено среднее значение’ диаметра выработки Dcp =
=2 — , где F — площадь сечения выработки.
Расчет конструкции подземного сооружения с применением коэффициента упругого отпора, определенного из описанного опыта, следует производить без учета бокового активного давления породы, так каж его действие уже учтено в коэффициенте отпора.
Величины коэффициентов упругого отпора по боковой поверхности и в одошве стен подковообразной обделки различны даже при расположении аоследней в однородных породах. Передача нагрузки осуществляется в обоих случаях под разными углами. Площадь Fn подошвы стены, через которую явление передается на породу, обычно значительно меньше площади F контакта боковой поверхности стены с породой. Наибольшее значение имеет последки фактор. В соответствии с формулой (52) коэффициент упругого отпора под стенами можно увеличивать по формуле
(65)
гэг к — коэффициент упругого отпора, определенный для выработки среднего диаметра;
s — протяжение участка контакта породы с боковой поверхностью стены;
Лп — ширина подошвы стены.
Проведение массовых измерений коэффициентов упругого отпора в раз-вчных геологических условиях, анализ и обобщение полученных материалов ляются наиболее обоснованным направлением для подведения прочной базы м применяемые методы статического расчета.
Наряду с радиальным отпором по поверхности обделки в общем случае .ж-йсгвуют силытренияи сцепления. Предельные значения сил трения связаны с интенсивностью о отпора породы выражением т = ро, где ц — коэффициент тэения между обделкой и породой.
Величина сил сцепления зависит от степени неровности выработки и состава окружающих пород. В скальных породах, проходка в которых осу-кствляется взрывным способом с установкой арочной или анкерной крепи •см. § 57), обделка работает в две стадии. В первой стадии вес свежеуложенной я ннвентарную опалубку бетонной смеси полностью передается через подошвы сэея и касательные усилия между обделкой и породой отсутствуют.
После достижения бетоном проектной прочности и нагнетания за обделку Ементно-песчаного раствора наступает вторая стадия ее работы. В этой стадии •Лнлнзованное нагнетанием горное давление передается с обделки на стены работки через выступы, заполняющие неровности контура, неизбежные при взрывных работах, т. е. полностью воспринимается касательными усилиями стенам.
В мягких породах, проходку в которых ведут обычно с расчленением сеяния на части и применением деревянной крепи, нарастание нагрузки происхо-жт в течение более длительного периода и после нагнетания за обделку воз-жьаяо возникновение сил трения между обделкой и породой. Тем не менее вд действием подземных вод и сотрясений, возникающих при движении под-жжного состава, а также в результате релаксации в пластичных породах воз-вжно уменьшение и даже полное исчезновение возникших сил трения. Силы лпленпя в этом случае не имеют такого значения, как в скальных породах. Пятому при расчете на длительно действующие (основные) нагрузки в мягких жсчсах в запас прочности конструкции можно касательные усилия между «Лзелкой и породой не учитывать.
При проверке на кратковременное действие сил (строительные нагрузки) рекомендуется учитывать силы трения.
§ 36. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ МОНОЛИТНЫХ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК
Монолитные тоннельные обделки являются статически неопределимыми инструкциями, обычно обладающими значительной жесткостью. Поэтому их ряженное состояние сильно зависит от смещений пятовых сечений сводов, исорые в связи с этим следует рассматривать как упруго заделанные в породу ни стены.
Расчетную схему обделки выбирают в соответствии с характером конструкции и окружающих пород, а также в зависимости от условий работ, на всех стадиях производства которых обделка в целом или ее отдельные части должны обладать достаточной прочностью и устойчивостью.
Свод, опирающийся на породу. Простейшей тоннельной обделкой является свод, опертый непосредственно на стены выработки (рис. 78). Подъем таких сводов, как правило, невелик по сравнению с величиной пролета.
В результате деформации под нагрузкой большая часть наружного контура свода выходит из контакта с упругой средой. Поэтому свод можно рассматривать как кривой брус с пятами, упруго заделанными в породу, т. е. имеющими возможность поворота и смещения по касательной к оси свода. Радиальные смещения пят исключаются вследствие наличия в пятовых сечениях значительных сил трения.
Свод, опирающийся на вертикальную стену. Если верхний свод подковообразной обделки, сооруженный в мягких породах, не переходит плавно в стены, а примыкает к ним под углом (рис. 79), точки его оси под действием распора смещаются в горизонтальном направлении в сторону породы и одновременно испытывают вертикальные смещения, обусловленные осадкой стен. В мягких породах осадка преобладает, суммарные перемещения точек свода оказываются направленными в сторону выработки и взаимодействие свода с упругой средой отсутствует.
Стены обделки, бетонируемые в штольнях (например, для опирания свода односводчатой станции метрополитена), обычно обладают большой жесткостью и могут рассматриваться как диски, деформациями которых можно пренебречь. Наличие в подошве значительных сил трения учитывается введением горизонтальных жестких опор (рис. 79, а). Под действием нагрузок стены оседают по вертикали и поворачиваются в сторону породы, вызывая с ее стороны отпор, изменяющийся по треугольнику. Упругость заделки пят свода определяется углом поворота стены и горизонтальным смещением ее верхней точки а.
В скальных породах, в которых обделка с гибкими стенами бетонируется под защитой контурной крепи в стальной передвижной опалубке, в основание стен к моменту замыкания свода передается лишь собственный вес G неокрепшей конструкции. После нагнетания обделка, набравшая проектную прочность, воспринимает горное давление в условиях, когда бетон заполняет неровности контура выработки, образованной взрыванием.
Если прочность породы на срез не уступает прочности бетона (для бетона марки 200—16,8 кгс/см2), вертикальные реакции свода от горного давления воспринимаются сцеплением обделки со стенами выработки, на которых она как бы повисает. Поэтому осадка опорных точек свода от горного давления может быть принята равной нулю, горизонтальные смещения точек оси свода вызывают пропорциональный им упругий отпор и свод работает совместно с породой.
Для расчета обделки с вертикальными стенами, на свод которой действует отпор породы (см. рис. 82), используют вспомогательную схему (рис. 79, б) в виде свода, опирающегося на стены (в общем случае с эксцентриситетом е).
Вертикальное горное давление вызывает касательные напряжения т. равномерно распределенные по наружной поверхности стен, и соответствующую им распределенную момент-xh .
ную нагрузку т - -у , где h — толщина стены.
Стена представляет собой балку постоянной жесткости на упругом основании. Нижний конец балки может смещаться в горизонтальном на-
t
Рис. 78. Свод, опирающийся на породу
a)
i
6)
3 4
Рис. 79. Свод, опирающийся на вертикальные стены
правлении, так как силы трения в подошве возникают лишь от действия собственного веса обделки и сравнительно невелики.
Свод в упругой среде (см. рис. 75). При деформации под нагрузкой верхняя часть свода подковообразной обделки выходит из упругого контакта с окружающими породами. На остальном протяжении обделка вдавливается в породу, вызывая со стороны последней упругий отпор, пропорциональный радиальным деформациям, и силы трения. Форма и протяжение эпюр этих усилий неизвестны и подлежат определению в ходе расчета.
Подошвы стен не смещаются в горизонтальном направлении вследствие наличия сил трения, но имеют возможность поворачиваться относительно точки а, лежащей в их уровне. Напряженное состояние обделки в значительной степени определяется величиной и характером распределения упругого отпора.
Положение верхней границы эпюры отпора обычно задается в соответствии с практикой проектирования тоннельных конструкций в аналогичных условиях. Распределение упругого отпора по контуру обделки зависит от многих факторов и носит сложный характер.
Совместная работа обделки с упругой средой может быть учтена разными способами. Наиболее естественно, используя опыт расчета аналогичных конструкций, задать форму эпюры упругого отпора и в качестве дополнительного неизвестного принять его максимальную интенсивность, которая может быть найдена из рассмотрения радиальных деформаций среды в соответствующей точке. Такой метод расчета предложен Г. Г. Зурабовым и О. Е. Бугаевой, принявшими эпюру отпора в виде двух парабол с максимальной интенсивностью oh в точке h их сопряжения (рис. 80).
В действительности форма эпюры отпора в значительной степени зависит от упругости среды, жесткости обделки и характера действующих на нее нагрузок. Влияние этих факторов может сильно изменить распределение отпора по контуру обделки. Поэтому наиболее правильным методом является его выявление расчетом.
По предложению инженеров Метропроекта упругую среду заменяют достаточно часто расположенными опорами с эквивалентными упругими свойствами (рис. 81). На участке контура, соответствующем упругой опоре, интенсивность отпора породы принимают постоянной. Получаемая в результате расчета эпюра отпора имеет ступенчатое очертание в соответствии с радиальными деформациями среды в местах упругих опор (см. рис. 96). Увеличение числа опор повышает точность расчета.
В частном случае, если обделка состоит из свода, плавно переходящего в вертикальные стены постоянной жесткости (рис. 82, а), можно отказать-
Рис. 80. Расчетная схема обделки с заданной формой эпюры отпора
Рис. 81. Расчетная схема обделки на упругих опорах
ся от введения упругих опор, так как стены представляют собой балки на упругом основании. В нижней части свода задают форму эпюры отпора, максимальную интенсивность са которого на уровне верха стены определяют расчетом.
Для упрощения вычислений ординаты о кривой отпора, очерчиваемой по квадратной параболе, принимают горизонтальными, чем до некоторой степени учитывают силы трения между сводом и породой. Интенсивность упругого отпора в сечении свода, расположенном под углом 0 к горизонтали, может быть определена по формуле
(56)
Такую обделку целесообразно рассчитывать в два приема. В своде, опирающемся на вертикальные стены по схеме,'показанной на рис. 82, б, сначала определяют усилия от активных нагрузок (на рисунке—эпюра Л4Р), затем от действия эпюр отпора с единичной интенсивностью в точках а (на рис. 82, в — эпюра Л4).
В обоих случаях находят горизонтальный смещения верха стены (иар и ио).
Очевидно, что в соответствии с принципом независимости действия сил окончательные усилия (на рис. 82, а — эпюра Л4) и деформации обделки могут быть представлены в следующем виде:
М----Мр + <5аМ',
N = Np+vaN-
Uа ~ Uap U(f. i
Рис. 82. Схема расчета обделки как свода с заданной формой ющегося на вертикальные стены
Согласно гипотезе местных деформаций оа = киа, поэтому можно найти максимальную интенсивность упругого отпора
иаР
•
1 _
--— иа к
(58)
В этом случае эпюра отпора по стене, имеющая плавную форму, получается из расчета, а погрешность от принятия формы эпюры на своде сравнительно невелика. Достоинством метода является его наглядность, позволяющая оценить значение совместной работы обделки с упругой средой, так как окончательная эпюра
Рис. 83. Расчетная схема обделки замкнутого очертания
моментов получается суммированием эпюр раз-
ных знаков Мр (от нагрузки) и аа М (от отпора, обеспечиваемого нагнетанием за обделку цементно-песчаного раствора).
Обделка замкнутого очертания в упругой среде. В обделках замкнутого очертания стены жестко связаны концами обратного свода, покоящегося на упругом основании. Определение усилий в конструкции в этом случае наиболее целесообразно производить, заменяя упругую среду упругими опорами на всем контуре взаимодействия обделки с породой (рис. 83). При этом следует иметь в виду, что такая расчетная схема реализуется, если обделку бетонируют, начиная с обратного свода, например, в слабых грунтах, на которые невозможно опирание стен, или в скальных породах, где обратный свод бетонируют в первую очередь с целью обеспечения надежного основания для перемещения инвентарных опалубок (в гидротехнических тоннелях).
В устойчивых породах, как правило, в первую очередь бетонируют верхнюю подковообразную часть обделки. Обратный свод сооружают после того, как верхний свод достиг проектной прочности и за него произведено нагнетание цементно-песчаного раствора, обеспечивающее совместную работу обделки с породой.
Деформации обратного свода, сооружаемого позднее и подвергающегося меньшим нагрузкам, чем верхняя часть обделки, не могут существенно повлиять на условия в наиболее напряженном верхнем своде. Поэтому верхнюю часть обделки рассчитывают без учета обратного свода по схеме, показанной на рис. 81, а обратный свод рассматривают как шарнирно опертый на стены под действием передающихся непосредственно на него нагрузок (нагрузки от вы
пирания из-под стен в песчаных и глинистых грунтах, гидростатического давления, если водонепроницаемость обратного свода обеспечена).
От нагрузок, соответствующих СНиП П-Д.3-62, в обделке возникает напряженное состояние, симметричное относительно вертикальной оси, и степень статической неопределимости конструкции сравнительно невысока. Методы расчета, подробно изложенные ниже, предполагают симметрию системы и нагрузок.
Расчет на действие несимметричных нагрузок, рекомендуемый ЦНИИСом Минтрансстроя для трещиноватых скальных пород (см. стр. 88), значительно усложняется и практически невыполним без применения ЭВМ.
§ 37. РАСЧЕТ СВОДА С УПРУГОЙ ЗАДЕЛКОЙ ПЯТ
В состав некоторых расчетных схем монолитных тоннельных обделок входит свод с упруго заделанными пятами, смещения точек оси которого происходят внутрь выработки и не вызывают упругого отпора со стороны породы. При вертикальной симметрии конструкции и нагрузок, которую обычно принимают в расчете, вертикальные смещения пят не отражаются на напряженном состоянии свода.
4 Зак. 1 207 97
a)
Рис. 84. Свод с упругой заделкой пят
Рассмотрим свод переменной жесткости с пятами, смещающимися по горизонтали на величину и и поворачивающимися на угол у (рис. 84, а). За положительные приняты направления смещений, указанные на чертеже, изгибающие моменты, вызывающие растяжение внутренних волокон свода, и сжимающие усилия.
Вследствие симметрии системы поперечная сила в замковом сечении равна нулю. Изгибающий момент Хги нормальная сила Х2 в замковом сечении определяются из канонических уравнений метода сил:
Xi бц + Х2 612 + Д1р + у — 0;
Xi S21 + Х2 622 Ц- Д2Р -|- fy + и = 0,
где 8ik и Д/р — перемещения полусвода соответственно от единичных воздействий по направлению неизвестных и от нагрузки;
/ — высота свода.
Введем следующие обозначения:
Yj и — угол поворота и горизонтальное смещение пяты полусвода от действия приложенного в ней единичного момента (рис. 85, а)\
у2 и и2 — то же от действия единичной горизонтальной силы (рис. 85, б);
ур и ир — то же от действия нагрузки с полусвода.
В соответствии с принципом независимости действия сил полные смещения пят свода:
(59)
у = Ах ух + Х2 (Тг + hi) + У?!
U = Х± «1 -^2 (W2 4* fUl) + Up-
(60)
Подставляя значения у и и из (60) в канонические уравнения (59) и учитывая, что в силу взаимности перемещений у2 = получим:
1. Хг (6n + Yi) + Х2 (612 + у2 + /Yi) + Д1р + Ур — 0;
2. (621 + + /?1) + Х2 (622 + ^22 + + f2 Yi)+^2р + ?Ур + up — 0-1
(61)
Рис. 85. Смещения опор полусвода
б) Пьезометрический уровень
клин т полусвода
Перемещения, зависящие от деформаций полусвода, определяют по общей формуле
\*MjMkds f NjNkds
El \ EF
(62)
При отношении высоты свода к пролету, превышающем 0,25, влияние обжатия оси нормальными силами невелико и перемещения могут быть найдены по одночленной формуле
с С М; М ъ ds
В общем случае свода переменной жесткости закон изменения момента инерции / и площади F сечений по длине полусвода выражается сложной зависимостью. Вследствие этого обычно ось плавного очертания заменяют вписанным многоугольником со сторонами (клиньями) одинаковой длины As (рис. 86) и при вычислении перемещений применяют численное интегрирование.
Достаточно точные результаты могут быть получены по формуле Симпсона, пригодной при разбивке полусвода на четное число клиньев:
Лб/s —— [Ло + 4 (Лх + Л3 +... + Ап_г) + 2 (А2 + Л4 +... Д- Лп_2) + Лпг], (64)
О
где As — длина клина;
Ат — подынтегральная функция в шве т сечение имеет характеристики 1т и
между клиньями, в котором
Fm например, ——2 •
\ Е1т /
Рассмотрим усилия в сечениях полусвода во вспомогательных состояниях основной системы (рис. 84, б, в, г):
первое состояние: Мт1 = 1; Nml = 0;
второе состояние: Мт2 = у, Nm2 = cos cpm.
Грузовое состояние. Для нагрузок, показанных на рис. 87, а, внутренние
усилия в швах между клиньями определяют по формулам:
^тР ^(тп-1) Р
Pmpm+<Jmgm + Emem + Ax 2 (Pi + Gi)+by 2
1 1
^,np = sin(₽m2(P«+Gi)—' cos 2 Д- (65)
1 1
В случае необходимости учета гидростатического давления (рис. 87, б) целесообразно разложить радиально направленное усилие Wm = hm lm (здесь hm — расстояние от пьезометрического уровня подземных вод до центра наружной поверхности клина; 1т— протяжение этой поверхности) на вертикальную cos <Рт + (Рт-Л и горизонтальную ( Wm sin фт + Т'»-1 \ составляющие.
Перемещения по направлению лишних неизвестных, зависящие от жесткости свода, определяют подстановкой в формулы (62) значений усилий в основной системе в соответствующих вспомогательных состояниях, т. е.
(66)
Контроль перемещений осуществляют по формулам:
Sss = f (1+y)Ms + f = 6 + 2612 + 622;
J EI J EF
Г (1+у)М f Урсозф^ = д I 77 г II 7777 -L-P “P
(67)
Входящие в канонические уравнения составляющие углового и горизонтального смещений пятовых сечений свода определяют в соответствии с принятой схемой обделки (см. § 38).
После определения лишних неизвестных Х± и Х2 усилия в сечениях пг свода находятся суммированием усилий вспомогательных состояний основной системы:
Мтр X, ут А Nт “ Nmp 4“ Х-2 COS фт-
(68)
Правильность расчета проверяют определением перемещений по направлению лишних неизвестных. Эти перемещения должны быть равны нулю.
Сопрягая расчетные эпюры М и N с эпюрами от единичных воздействий,
получим:
(69)
где у и и — окончательные значения смещений пятовых сечений свода, определенные по формулам (60).
§ 38. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СМЕЩЕНИЙ ПЯТОВЫХ СЕЧЕНИЙ СВОДА И УСИЛИЙ В СЕЧЕНИЯХ ВЕРТИКАЛЬНОЙ СТЕНЫ
В коэффициенты канонических уравнений (61) свода с упругой заделкой пят входят составляющие смещений пят свода, возникающие под действием единичных момента и горизонтальной силы, приложенных непосредственно к пятам (см. рис. 85), а также от усилий, передающихся на них с полусвода. Ниже показано, как их определяют для частных случаев опирания.
Свод, опирающийся на породу (рис. 88). Подвергая подошву свода последовательному действию единичных момента и горизонтальной силы, а также усилий от нагрузки в опорном сечении основной системы (МаР и Nap), нетрудно найти составляющие смещений пят свода.
Линейные смещения определяют делением соответствующих напряжений подошве на коэффициент упругого отпора ка, угловые смещения — делением а ка углов наклона эпюр напряжений.
I и н и ч н о г о момента. Под действием единич-поворачивается на угол у г относительно точки а, оста-
жго момента сечение пгенся неподвижной. Краевые напряжения
Угол наклона эпюры:
20 12
/1а ~ 6ЛВ® 4
_Ф__1
м1 = 0.
(70)
Действие единичной горизонтальной силы. Раз лежим единичную горизонтальную силу на нормальную и касательную составляющие.
Первая из них, равная cos а, вызовет в основании равномерное напряжение вторая будет воспринята силами трения (радиальный стержень).
Под действием нормальной силы точка а сместится на величину Искомое горизонтальное смещение пяты
cos2 а
bha ка
Действие усилий от внешней нагрузки. Под действен передающихся с консоли усилий МаР н NaP от внешней нагрузки проис-
асдит поворот подошвы на угол ур и осевое смеще-«зе. горизонтальная проекция которого равна ир. СЧевидно, что
и = NaP cosot 1 р bhaKa ' )
Свод, опирающийся на вертикальные стены. В данном случае величины уп у2 = «т и иг представляют собой смещения верхнего сечения верти-тальной стены от единичных воздействий. Стена еляется прямым брусом постоянной жесткости на утр у го S! основании, концевые деформации которого переделяются по готовым формулам.
При расчете по методу проф. П. Л. Пастернака тар актеристика жесткости балки (м)
(72)
(73) Рис. 88. Смещения пят свода, опирающегося на породу
Рис. 89. Усилия, действующие на массивную стену
где Е — модуль упругости материала балки;
I — момент инерции сечения балки;
b — ширина балки (обычно b = 1 м и все линейные размеры вводят в расчет в мет-рах);
к — коэффициент упругого отпора породы, тс/м3.
Характер работы балки определяется ее приведенной длиной X =
Массивные стены. При1 (массивные стены в податливых грунтах) стену можно с достаточной точностью рассматривать как жесткий диск, деформациями которого можно пренебречь по сравнению со смещениями.
Под действием усилий, передающихся на стену (рис. 89), она оседает по вертикали и по-
ворачивается относительно центра с подошвы (смещение подошвы по горизонтали исключено наличием значительных сил трения, учитываемых введением жесткой горизонтальной опоры).
По наружной грани и в подошве стены возникают нормальные напряжения о, пропорциональные деформациям основания, и соответствующие им тангенциальные напряжения ро (р— коэффициент трения между стеной и породой).
Введем следующие обозначения:
/Иса — момент активных сил, действующих на стену, относительно центра
с подошвы;
gl — максимальное значение отпора породы на уровне верха стены;
ai и а2 — краевые напряжения в подошве стены;
О Gl I
о=р~2— сила трения, развивающаяся на наружной грани стены от действия
отпора породы.
Тогда из условия равновесия (SMC = 0)
<а~---------------s4r = 0-
<5 1Z Z
(74)
Углы поворота наружной грани и подошвы стены одинаковы, поэтому можно записать
ОЦ — Оо GI
---±----- =—- ИЛИ (Ь— O2 = nOi— Кп hn---Kl I
где — отношение коэффициентов упругого отпора по подошве и по
наружной грани стены.
Подставляя выражения для $ и (^— о2) в формулу (74), найдем ___________________________12Мса I______ 1Мса (75)
l~ 4Z3 + n/iS + 3pM2 - Ic ' У
Здесь приведенный момент инерции стены относительно оси, проходящей через точку с, j 4Z3 + n/zn + 3p,/inZ2 (76)
12
Используя формулу (75), получим: угол поворота стены
X = 2L = -M.^.. ; (77)
Kl к1с горизонтальное смещение верха стены
и = Ijy. (78)
Для определения составляющих смещений верха стены подвергнем стену последовательно воздействию единичных момента и горизонтальной силы, а также усилий от нагрузки, передающихся на стену с полусвода (VaP, НаР, МаР) и приложенных непосредственно ♦ к стене (Ро, Q, £, р,Е) (см. рис. 89).
Придавая моменту Мса активных сил соответствующие значения и используя формулы (77) и (78), получим:
при Мса= 1;
KJ q
при 4a = zi'- t2 = ziYi; »2 = ziTi; (79)
при Мса = Мср;тр=Мсру1; up = ltyp, .
где McP — момент всех перечисленных выше активных сил от нагрузки относительно центра подошвы стены.
После решения канонических уравнений (61) и определения усилий, передающихся в опорную точку а свода (Va, На, Ма), находят усилия в сечениях стены.
Усилия, действующие выше рассматриваемого сечения стены, показаны на рис. 90:
Яа=ЯаР + Х2; vo=--vop; аг = ку/; о' =Kyd,
(80)
где у — полный угол поворота стены, определяемый по формуле (77) для значения
Мса — МсР + X, + Х2 (f + Z1);
(81)
Е' и S' — площади эпюр бокового активного давления и отпора грунта (на рис. 90 заштрихованы);
3' = (82)
Зная все силы, действующие выше рассматриваемого сечения, нетрудно найти соответствующие им значения М и N.
Г и б к и е
стены. Смещения верхнего сечения стены, приведенная
длина которой % > 1 (рис. 91, а, б, в), могут быть определены по формулам:
71 =
о
т2 = «1=-^А; (83)
“2" ^А3.
где S — характеристика жесткости балки на упругом основании;
Лр Л2 и А3 — гиперболо-тригонометрические функции параметра % = ^-(табл. 14).
При вычислении смещений ур и ар; вызванных действием нагрузок, приложенных к полусводу и
Рис. 90. Внутренние усилия в сечениях массивной стены
Рис. 91. Смещения верхнего сечения гибкой вертикальной стены
стене (рис. 90, г), следует учитывать эксцентриситет 8, существующий между осями свода и стены (см. рис. 79). При плавном переходе свода в стены 8 = 0.
Ур = (мар — Vap е) 71 + нар у2 + ут;
“р = (МаР — VaP 8) + НаР и2 + ит, где Мар, НаР
Последние члены формул (84) ут верхнего сечения стены от вызванной напряжениями h у относительно оси стены:
(84)
и Vap— усилия от нагрузок в опорном сечении полусвода, и ит (рис. 91, д) учитывают смещения равномерно распределенной моментной нагрузки, т сцепления, приложенными с эксцентриситетом
4m А т” - »S‘ ""
kS
где Л4 и Л5—функции параметра —
5
т/г т = —;
2
•5,
(см. табл. 14),
дь
21 ’
(85)
где q — вертикальная нагрузка от горного давления;
b — пролет выработки.
Усилия и упругий отпор породы в сечениях стены определяют как в балке на упругом основании, начальные параметры которой известны. К ним относятся:
силы, передающиеся со свода (см. рис. 91, а):
Md=MdP+xt+fx„ Нd~ Н
Vd = VdP\ полные смещения верхнего сечения стены: = + Hdy2+ym\
ud = M-d и2 И- ит.
(86)
(87)
Т а б ли ц а 14
Значения функций А
К 4 2 А л4 Л5 К At Аг Аз А3
1,00 3,370 3,104 2,019 3,021 1,502 1,95 1,092 1,157 1,154 0,869 0,787
1,05 2,980 2,836 1,927 2,745 1,431 2,00 1 ,076 1,134 1,138 0,835 0,769
1J0 2,660 2,605 1,843 2,505 1,367 2,05 1,063 1,114 1,122 0,803 0,752
1,15 2,397 2,406 1,768 2,297 1,308 2,10 1,052 1,097 1,108 0,773 0,736
1,20 2,178 2,232 1,699 2,114 1,254 2,15 1,043 1,081 1,096 0,746 0,721
1,25 1,996 2,081 1,637 1,953 1,205 2,20 1,035 1,068 1,084 0,722 0,707
1,30 1,843 1,949 1,580 1,811 1,159 2,25 1,029 1,057 1,074 0,699 0,693
1,35 1,714 1,833 1,527 1,685 1,117 2,30 1,023 1,047 1,065 0,678 0,680
1,40 1,606 1,731 1,480 1,572 1,078 2,35 1,019 1,038 1,057 0,659 0,668
1,45 1,514 1,614 1,436 1,472 1,042 2,40 1,015 1,031 1,049 0,641 0,657
1,50 1,435 1,562 1,395 1,381 1,008 2,45 1,013 1,025 1,043 0,625 0,646
1,55 1,369 1,492 1,359 1,300 0,977 2,50 1,010 1,020 1,037 0,610 0,636
1,60 1,312 1,430 1,335 1,226 0,947 2,55 1,009 1,015 1,032 0,596 0,626
1,65 1,264 1,375 1,294 1,160 0,920 2,60 1,007 1,012 1,027 0,583 0,617
1,70 1,223 1,327 1,265 1,100 0,894 2,65 1,006 1,009 1,023 0,572 0,608
1,75 1,187 1,284 1,239 1,045 0,870 2,70 1,005 1,007 1,020 0,561 0,600
1,80 1,157 1,246 1,215 0,995 0,847 2,75 1,005 1,005 1,016 0,552 0,592
1,85 1,132 1,213 1,193 0,949 0,826 2,80 1,004 1,003 1,014 0,543 0,585
1,90 1,110 1,183 1,173 0,908 0,806
Значения функций у
Таблица 15
Ф Ух Уг Уз У4 ф i/i Уг Z/з У 4
0,00 0,000 0,000 0,000 1,000 1,55 2,249 2,415 2,509 0,051
0,05 0,003 0,000 0,100 1,000 1,60 2,375 2,646 2,507 —0,075
0,10 0,010 0,001 0,200 1,000 1,65 2,500 2,890 2,493 —0,214
0,15 0,023 0,002 0,300 1,000 1,70 2,624 3,146 2,464 —0,364
0,20 0,040 0,005 0,400 1,000 1,75 2,746 3,414 2,419 —0,528
0,25 0,063 0,010 0,500 0,999 1,80 2,865 3,695 2,358 —0,706
0,30 0,090 0,018 0,600 0,999 1,85 2,981 3,987 2,278 —0,898
0,35 0,123 0,029 0,700 0,998 1,90 3,093 4,291 2,178 — 1,105
0,40 0,160 0,043 0,799 0,996 1,95 3,199 4,605 2,056 — 1,327
0,45 0,202 0,061 0,899 0,993 2,00 3,298 4,930 1,912 — 1,566
0,50 0,250 0,083 0,998 0,990 2,05 3,389 5,265 1,743 — 1,821
0,55 0,302 0,111 1,097 0,985 2,10 3,472 5,608 1,547 —2,092
0,60 0,360 0,144 1,195 0,978 2,15 3,544 5,959 1,325 —2,381
0,65 0,422 0,183 1,292 0,971 2,20 3,604 6,316 1 ,070 —2,688
0,70 0,489 0,228 1,389 0,960 2,25 3,650 6,679 0,785 —3,013
0,75 0,561 0,281 1,484 0,947 2,30 3,682 7,046 0,467 —3,356
0,80 0,637 0,341 1,578 0,932 2,35 3,696 7,415 0,113 —3,718
0,85 0,718 0,408 1,670 0,913 2,40 3,692 7,784 —0,277 —4,098
0,90 0,804 0,485 1,761 0,891 2,45 3,668 8,152 —0,707 —4,496
0,95 0,894 0,569 1,848 0,865 2,50 3,621 8,517 — 1,177 —4,913
1,00 0,989 0,664 1,934 0,834 2,55 3,549 8,876 — 1,690 —5,348
1,05 1,088 0,767 2,015 0,798 2,60 3,451 9,226 —2,247 —5,800
1,10 1,190 0,881 2,093 0,757 2,65 3,324 9,565 —2,851 —6,270
1,15 1,297 1,005 2,166 0,710 2,70 3,165 9,890 —3,502 —6,757
1,20 1,407 1,141 2,235 0,656 2,75 2,973 10,197 —4,202 —7,259
1,25 1,520 1,287 2,297 0,596 2,80 2,744 10,483 —4,954 —7,776
1,30 1,637 1,445 2,353 0,527 2,85 2,477 10,747 —5,758 —8,307
1,35 1,755 1,614 2,402 0,451 2,90 2,168 10,977 —6,616 —8,847
1,40 1,877 1,796 2,442 0,365 2,95 1,814 11,177 —7,528 —9,404
1,45 1,50 1,980 2,124 1,990 2,196 2,475 2,497 0,271 0,166 3,00 1,414 11,338 —8,497 —9,967
Для сечения на расстоянии х от верха стены:
Мх = Mdyi + (Hd—m)-у у3— k-^udуг + Y YdУк
Nx = Vd + x \ J
Ох = Md уг + (Hd—т) Д у2 + kud у^— yd у3,
о о Z
(88)
где
У1, Уг,
Q — вес 1 пог. м стены;
у3, Уь — гиперболо-тригонометрические функции параметра Ф = (табл. 15).
§ 39. РАСЧЕТ ПОДКОВООБРАЗНОЙ ОБДЕЛКИ
С ЗАМЕНОЙ УПРУГОЙ СРЕДЫ УПРУГИМИ ОПОРАМИ
Тоннельная обделка, работающая совместно с окружающей упругой средой, представляет собой сложную многократно статически неопределимую систему. Точный ее расчет для общего случая обделки произвольного очертания и переменной жесткости практически невыполним, тем более что упругая среда взаимодействует с обделкой лишь на тех участках контура выработки, где конструкция смещается в сторону породы. Поэтому для определения усилий в сечениях обделки обычно пользуются приближенными методами,
возможности применения которых сильно возросли с внедрением в практику проектирования ЭВМ.
Наибольшее распространение имеет метод, предложенный в 1936 г. инженерами Метропроекта, основанный на преобразовании заданной системы в расчетную введением следующих допущений (рис. 92):
плавное очертание обделки заменяют ломаным (вписанный многоугольник);
непрерывное изменение жесткости обделки заменяют ступенчатым, причем на протяжении каждой из сторон многоугольника жесткость обделки принимают постоянной;
распределенные активные нагрузки, действующие на обделку, заменяют
усилиями, сосредоточенными в вершинах многоугольника;
сплошную упругую среду заменяют отдельными упругими опорами, поме-
щенными в вершинах вписанного многоугольника
и расположенными перпендикулярно наружной поверхности обделки. (При учете сил трения между обделкой и породой опоры отклоняются вниз на угол трения.) Это равносильно допущению, что интенсивность упругого отпора на участке, соответствующем длине упругой опоры (расстоянию между серединами сторон вписанного многоугольника, примыкающих к опоре), является постоянной, т. е. эпюра упругого отпора имеет ступенчатую форму.
Протяжением зоны возникновения упругого отпора, границы которой
Рис. 93. Основная система
характеризуются центральным углом 2ср0, задаются в начале расчета в соответствии с опытом проектирования обделок в аналогичных условиях. Оно увеличивается при наличии факторов, способствующих деформациям обделки в сторону породы (вертикальные нагрузки, малая жесткость свода, податливые породы за обделкой), и уменьшается при наличии факторов, выводящих свод из соприкосновения с упругой средой (боковое горное и гидростатическое давление, значительные осадки стен). С учетом вышесказанного значение угла безотпорного участка 2ср0 принимают в пределах от 90 до 150°.
Распределение п упругих опор по контуру половины обделки и разбивку вершин многоугольника выполняют следующим образом.
Ось обделки от подошвы стены до границы безотпорного участка (точка К*) делят на [п + — одинаковых частей. Опоры располагают на границах между частями перпендикулярно наружной поверхности обделки. Арку между верхней опорой и замковым сечением делят на четыре—шесть частей в зависимости от пролета обделки и требуемой точности расчета.В общем случае длины
сторон вписанного многоугольника на протяжении арки и стен неодинаковы (соответственно аа и а). Стороны обозначаются в соответствии с их верхними точками. Так, сторона 2-1 — стержень 1.
При преобладании вертикальных нагрузок силы трения, возникающие в подошве обделки, обычно превышают усилия, стремящиеся сместить низ стены в горизонтальном направлении. Невозможность этого смещения учитывается введением горизонтальной жесткой опоры в уровне подошвы стены.
Увеличение числа упругих опор уменьшает отклонение расчетной схемы от действительной и повышает точность расчета.
Расчет по методу сил в обычной форме. Для статического расчета системы, обладающей большой степенью подвижности узлов (опоры не жесткие, а упругие), наиболее целесообразно применять метод сил, дающий наименьшее количество лишних неизвестных. В качестве основной системы принимают
шарнирную цепь, получающуюся в результате введения шарниров в местах упругих опор и в замковом сечении обделки (рис. 93).
При обычно принимаемой в расчете симметрии обделки и действующих на нее нагрузок относительно вертикальной оси в качестве лишних неизвестных рассматривают парные изгибающие моменты в симметричных шарнирах.
Неизвестные определяют решением канонических уравнений, каждое из которых отрицает возможность перемещения по направлению удаленной связи (равенство нулю взаимного поворота стержней многоугольника, сходящихся в шарнире).
Канонические уравнения имеют вид:
0. АД 600-Д АД S01 + АД602 + ... • + Мп 60п + Др — 0;
1. АД 610-ДЛД 6П + АД S12-Д ... + АД б1п + Д1Р = О;
2. ......................................................
(89)
п- АД 6п0 + АД 6П1-Д ЛД6п2-Д ... + A4n(6nn +уп)-ДДпР = 0,
* Радиус ОК проводят перпендикулярно касательной к наружной поверхности обделки, которая составляет угол ф0 с горизонталью.
где 6iK и — перемещения основной системы по направлению неизвестных Mi от действия соответственно парных единичных моментов, приложенных в точках к, и от нагрузок;
1 •
уп = -г—;--угол поворота подошвы стены под действием единичного момен-
п
та [см. формулу (70)];
---момент инерции подошвы стены;
йп — высота сечения подошвы стены;
kn — коэффициент упругого отпора в основании стены.
Перемещения основной системы определяют по общей формуле строительной механики, преобразованной в соответствии со стержневым характером системы
= 2 (• MiMhds + ' (90)
где Мi и Nt — изгибающие моменты и нормальные силы в основной системе от действия парных единичных моментов, приложенных в точках f;
Mk и Nk — то же от действия парных единичных моментов, приложенных в точках Л;
/т, Fm, ат — соответственно момент инерции, площадь сечения и длина т-го стержня основной системы.
Первый член формулы (90) учитывает влияние на величину перемещений изгиба стержней, второй член — влияние обжатия стержней нормальными силами. Обжатию подвергаются как стержни, входящие в состав многоугольника, так и упругие опоры. Поэтому второй член формулы необходимо преобразовать для возможности учета осадок упругих опор. Входящее в формулу (90) выражение равно продольной деформации стержня сечением Fm и длиной ат от действия единичной силы.
Осадка упругой опоры от единичной силы может быть получена следующим образом. Опора воспринимает отпор породы с площади, равной произведению ширины b кольца обделки на длину постели опоры, которая равна полусумме расстояний до соседних опор, измеренных по наружной поверхности обделки. Достаточно точные результаты можно получить, приняв длину постели опоры равной длине ат стержня многоугольника.
Единичная сила вызывает напряжение породы под опорой о = -Ц- и атР осадку опоры
4=JL = _1_=_L, km kmamb Dm
km — коэффициент упругого отпора (может быть переменным по контуру обделки);
Dm = kmamb—характеристика жесткости опоры, которая в общем случае может быть различной для разных опор в связи с изменением коэффициента упругого отпора (длины стержней многоугольника на участке размещения упругих опор целесообразно принимать постоянными).
Подставляя полученное выражение для осадки опоры от единичной силы в выражение (90), получим развернутую формулу для определения перемещений основной системы с учетом изгиба и обжатия стержней и осадки упругих опор:
<9»
J £‘т т Um
где Ri и Rk — усилия в опоре основной системы от действия парных единичных моментов, приложенных соответственно в точках i и k.
Для определения грузовых перемещений Aip усилия Mh, Nh, Rh заменяют усилиями 7ИР, Np, Rp в основной системе от действия нагрузок.
Н а ибо л ьшее влияние на величину перемещений основной системы оказывают изгиб стержней и осадка опор. Роль обжатия стержней нормальными силами возрастает с увеличением коэффициента k упругого отпора и с уменьшением площади F попе-
Рис. 94. Усилия в шарнирно-стержиевой цепи: а — от нагрузки; б — от единичных моментов
речного сечения обделки.
Практически при расчете подъемистых подковообразных обделок с криволинейными стенами, имеющих наибольшее распространение в мягких и неустойчивых породах, можно не учитывать влияния обжатия и определять перемещения по двучленной формуле.
Пренебрежение влиянием обжатия вызывает некоторое уменьшение изгибающего момента в наиболее напряженном замковом сечении обделки. Однако если наряду с этим не учитывать трение между обделкой и породой, которое производит противоположное действие, запас прочности конструкции не
уменьшается.
Усилия в основной системе от нагрузки и единичных моментов определяют путем последовательного вырезания узлов шарнирно-стержневой цепи, на которую опирается трехшарнирная арка, с рассмотрением условий их равновесия. Моменты в узлах представляются в виде пар с плечами, равными длинам сторон между упругими опорами. Принятые обозначения указаны на рис. 94. Первый индекс у символа, обозначающего усилие, указывает номер стержня, в котором оно возникает, второй индекс—причину, вызвавшую усилие. Такой причиной может быть внешняя нагрузка (рис. 94, а) или парные единичные моменты в симметричных точках основной системы (рис. 94, б).
За положительные обычно принимают моменты, вызывающие растяжение внутренних волокон обделки, и сжимающие усилия. Поперечную силу | Q | ,
вызванную действием единичного момента в узле, считают положительной, если она вращает примыкающий к узлу стержень против часовой стрелки; узловые нагрузки принимают положительными, если их направление соответствует показанному на рис. 94, а.
Для определения усилий в основной системе могут быть использованы следующие формулы:
Rm +
COS 0Cm)
— 6m-l) — Qm-1 COS (9m —0m_j) + Qm};
Nrn =---. {Pm sin am—Em cos am + 7Vm_1 cos (am—
cos(9m—am)
®m-l) Qm-1 (am 1) Qm Sin (9m am)}- f
Усилия в элементах основной системы изображают в соответствии с принятыми обозначениями и знаками на развертке полуоси обделки. Для расчетной схемы, показанной на рис. 92, такая таблица приведена на рис. 95.
Прежде чем перейти к определению перемещений, необходимо убедиться в правильности вычисления усилий в основной системе. Очевидно, что если приложить единичные моменты сразу по направлению всех неизвестных, то
Рис. 95. Таблица усилий в основной системе
основная система окажется в состоянии чистого изгиба и поперечные силы в ее сечениях обратятся в нуль. Следовательно, будут равны нулю также нормальные силы и реакции упругих опор. Это обстоятельство используют для проверки правильности вычисления усилий в основной системе от единичных моментов.
При суммировании усилий всех единичных состояний основной системы должны соблюдаться следующие равенства:
SA^mft=0; (93)
=0.
Правильность определения усилий в основной системе от действия нагрузок контролируется путем вырезания частей системы с проектированием на оси координат соответствующих усилий.
В качестве примера пользования формулой (91) ниже определено перемещение 612 = 621:
612 — 2
Wu^12 . Л
, Л^21/У22
’ F2
N3i (V32
F3
а
а
+ "“1^11 ^12 + ^21 ^22 + ^31^32] +
#41 #42 1
D, J
где D = D1 = D2 = D3 = kabf так как длину а всех стержней обделки ниже
опорной точки трехшарнирной арки обычно принимают одинаковой;
^4 = кц Ь»
Для проверки правильности вычисления перемещений основной системы определяют контрольные перемещения 6SS и As^, получающиеся сопряжением по формуле (91) суммарного состояния S с самим собой и с грузовым состоянием Р. Так как состояние S суммирует все единичные состояния, должны соблюдаться следующие равенства:
Д = У =
Si ЛВ PJ 1
С1ТП
(94)
где сотр — площадь эпюры моментов от нагрузки на стержне т основной системы.
Изгибающие моменты в замковом сечении обделки и в местах упругих опор получаются непосредственно из решения канонических уравнений. Моменты в сечениях трехшарнирной арки, реакции опор и нормальные силы в стержнях обделки могут быть найдены суммированием следующих усилий, 110
вызываемых в основной системе нагрузками и моментами в шарнирах (см. рис. 95):
— М-тр 4“
Rm = Rmp + 2^71 Rmk’
Nm = Nmp~\- Nmh.
(95)
Получение растягивающего усилия < 0 в верхней опоре означает, что расчетная схема выбрана неправильно. В этом случае расчет должен быть повторен с уменьшенным числом упругих опор. Интенсивность отпора породы постоянна на протяжении длины упругой опоры (рис. 96, а):
от=—. (96)
ат
Полученная эпюра отпора имеет ступенчатый характер (см. рис. 96, а), а действительная эпюра — плавный (рис. 96, б). Для уточнения расчета может быть использовано найденное графически значение угла срб ¥= Фо без-отпорного участка.
Окончательные нормальные силы в вершинах многоугольника равны полусуммам нормальных сил в примыкающих к вершинам стержнях.
Результаты расчета контролируют проверкой равновесия отдельных частей обделки и определением перемещений, величины которых равны нулю или связаны с усилиями в стержнях простыми соотношениями.
Наиболее часто проверяют взаимный угол поворота стержней, сходящихся в одной из вершин многоугольника.
Для подковообразной обделки с упругой заделкой пят этот угол в замковом сечении равен
2f^ + «nT„ = O. (97)
Удобна проверка величины смещения по направлению одной из упругих опор, расположенных горизонтально (перпендикулярно вертикальному участку наружной поверхности стены).
Сопрягая верхние части эпюры моментов и нормальных сил (рис. 97) с соответствующими единичными эпюрами, получим величину Д/г осадки горизонтальной опоры:
ММ ds
Е1т
(98)
Д/г
Рис. 96. Реакции опор и эпюра упругого отпора
NNam EFm
Рис. 97. Проверка перемещений обделки
Эта осадка может быть получена и по формуле
, (99)
где Rh — реакция опоры Л, имеющей характеристику Dh.
Изложенный метод является универсальным и применим для расчета подземных конструкций любого очертания с изменяющимися на контуре обделки упругими характеристиками. Применение этого метода связано со значительным объемом вычислительной работы, которая не может быть облегчена использованием графиков или таблиц вследствие индивидуального характера тоннельных конструкций.
Следует, однако, отметить, что простота построения метода делает его весьма удобным для использования электронных вычислительных машин, позволяющих применять расчетные схемы с большим числом упругих опор, чем обеспечивается высокая точность расчета при сравнительно небольшой затрате машинного времени.
Расчет по методу сил в матричной форме. Программирование для ЭВМ наиболее целесообразно производить в матричной форме, обеспечивающей компактное и наглядное составление алгоритмов расчета.
Канонические уравнения системы (89) в этом случае имеют следующий вид
ЛХ+Др = 0, (100)
где А — увеличенная в Е раз матрица единичных перемещений основной системы, учитывающая упругость заделки подошвы стены;
X — вектор неизвестных;
Др — увеличенный в Е раз вектор грузовых перемещений основной системы;
Е — модуль упругости материала обделки.
• Матрица А отличается от матрицы А3 единичных перемещений обделки с жестко заделанными пятами тем, что ее нижний правый элемент увеличен на Еуа (уп — угол поворота подошвы от действия единичного момента).
В соответствии с формулой (91)
А3=М' ВмМ +N'Bn N + R'BrR,
(101)
где М, N и R — матрицы влияния единичных моментов на моменты, нормальные силы и реакции опор в основной системе;
Л4', А/' и R' — матрицы, транспортированные по отношению к матрицам /И, N и R;
Вм, BN и В^ — увеличенные в Е раз матрицы податливости соответственно изгибу и осевому обжатию стержней, а также осадке опор основной системы.
Для основной системы, показанной на рис. 93, матрицы влияния, соответствующие данным таблицы рис. 95, равны:
1 0 0 0 0
Ма0 Mai 0 0 0
А^ъо Mfri 0 0 0
Мс0 МС1 0 0 0
0 10 0 0
0 0 10 0
0 0 0 1 0
0 0 0 0 1
N оо yVoi 0 0 0
N ао Nal 0 0 0
Хъо Nbi 0 0 0
N = X со Mei 0 0 0
W10 Nil M12 0 0
М 20 21 M 22 Л/ 23 0
X зо N31 М32 N33 ^34
*10 ^12 0 0
*20 *21 *22 *23 0
*30 *31 *32 *33 *34
*40 *41 *42 *43 *44
Транспонированные матрицы Л4', N' и R' получают заменой столбцов приведенных матриц влияния на строки. Так, например:
£10 £20 £30 ^40
£ц £21 £31 ^41
R'= £12 £22 £32 £42
0 £гЗ £зз £43
0 0 £з4 /?44
£-кратную матрицу податливости Вм составляют из матриц податливости отдельных стержней. Так, для стержня т матрица имеет вид
(ЮЗ)
При этом так как изгибающие моменты по концам стержней, примыкающих к вершине многоугольника, одинаковы, матрицы смежных стержней накладывают углами друг на друга и числа в местах наложения (в матрице Вм отмечены крестами) суммируют:
(Ю4)
F-кратные матрицы податливости BN и могут быть записаны в виде столбцов:
BR являются диагональными и для краткости
да 1а да 1ъ аа
I с а
Л
а
I 2 а
Л
(Ю5)
где аа _ длина стержней, на которые разбита трехшарнирная арка;
а — длина стержней 1—3, на которые разбита нижняя часть обделки 1—4 (см. рис. 92);
D и Da — характеристики жесткости упругих опор соответственно по боковой по-
верхности и в подошве стены.
F-кратный вектор грузовых перемещений
Ip = M'BmMp+N'Bn Np+R'Br Rp,
(106)
где Мр, Np и Rp — векторы влияния, координатами которых являются соответственно моменты, нормальные силы и реакции опор в основной системе от внешней нагрузки.
В нашем случае:
О Мар MbP Мср
О О о о
Nqp Nap Nbp
NcP f
Nip
N2p
N3p
Rip Rzp R3P R&P
(107)
Решив уравнение (100) относительно Xt получим
X — A 1 Др,
(108)
где Л-1 — матрица, обратная матрице А.
Усилия в обделке определяют по формулам:
М = М.р
wl> jv=jvP+jVX;
R=RP+f>X.
' <
(109)
Правильность^определения
усилий в обделке проверяют по формуле
do di d2 d3 d&
= M'BmM + N'BnN-^R'BrR.
(110)
Вектор d деформационной проверки дает результаты сопряжения эпюр единичных состояний основной системы с эпюрами окончательных усилий (координаты dm вектора представляют собой £-кратные углы поворота по направлению неизвестных).
Правильным результатам соответствует равенство нулю всех углов поворота, кроме угла поворота в подошве стены. В нашем случае должно соблюдаться равенство
d4+M4 £уп = 0, т- е. d4 =—М4Еуп. (111)
Расчет по приведенной схеме соответствует предварительно заданному протяжению безотпорного участка и равномерному размещению упругих опор на участке взаимодействия обделки и упругой среды (см. рис. 92). При возникновении в верхней опоре растягивающего усилия (7?i < 0) эта опора должна быть смещена в направлении подошвы стены, что вызывает изменение расположения опор и, следовательно, изменение расчетной схемы. Уточнение границ безотпорного ных ния
Рис. 98. Расчетная схема обделки при расчете на ЭВМ.
участка требует в связи с этим изменения исход-данных, вводимых в машину, и расчета.
Поэтому более целесообразной схема, показанная на рис. 98, в
полного повторе-
является расчет-которой имеются многоугольника,
ная упругие опоры во всех вершинах кроме замкового сечения, в котором опора была бы заведомо растянутой. Контур обделки разбивают на одинаковые отрезки а достаточно малой длины для того, чтобы обеспечить приближение вписанного многоугольника к действительному очертанию обделки.
При замене обделки многоугольником на 2п
упругих опорах число неизвестных (моментов в местах упругих опор и в замковом сечении при симметрии си-
Рис. 99. Расчет обделки по методу перемещений: а—расчетная схема; б — основная система
машиной на малое число (например, на 10~4) и рас1
стемы и нагрузки) равно п + 1. Поэтому память ЭВМ должна быть достаточной для размещения матрицы этого порядка.
Расчет выполняют в матричной форме по приведенному выше алгоритму, причем матрицы Л4, М, R и векторы NPi Rp (вектор Мр = 0) усилий в основной системе вычисляются машиной. В качестве исходных данных в машину вводят координаты вершин многоугольника (х7П, ут), средние толщины стержней (Лт), нагрузки (q, р) и упругие характеристики (Е, k, и /гп).
Если в результате расчета усилия в упругих опорах, расположенных в верхней части свода, оказываются отрицательными, то их характеристики жесткости, входящие в выражение для вектора податливости В^, умножаются
повторяется для первоначальной системы, т. е. при прежнем количестве опор. Во втором приближении усилия в растянутых опорах резко уменьшаются и уже не оказывают существенного влияния на напряженное состояние обделки. При этом отрицательные усилия могут появиться в опорах, расположенных ниже, жесткость которых также уменьшается.
Расчет повторяется машиной до тех пор, пока все остающиеся упругие опоры с первоначальными характеристиками жесткости не будут сжатыми. Таким образом фиксируются границы безотпорного участка, соответствующие действительному напряженному состоянию обделки.
Для расчета обделок на несимметричные нагрузки более удобна расчетная схема, предложенная Б. С. Христовым, в которой упругие опоры помещаются во всех вершинах вписанного в контур многоугольника (дополнительное неизвестное усилие — вертикальная реакция в нижней левой опоре). Эта схема применима для расчета тоннельных обделок любого очертания.
Расчет тоннельных обделок по методу сил требует определения минимального числа неизвестных и получил на практике широкое распространение. Универсальные программы (например, для ЭВМ «Минск-22», составленная Б. С. Христовым) позволяют быстро получить усилия в обделке от любых сочетаний нагрузок с автоматической аппроксимацией границ безотпорного участка.
Основные положения расчета по методу перемещений. При расчете по методу перемещений число неизвестных увеличивается в три раза, так как в каждой вершине многоугольника необходимо определить три смещения по направлению введенных закреплений: угловое, горизонтальное и вертикальное. Однако применение ЭВМ позволяет этому методу успешно конкурировать с методом сил. Простота и стандартность определения реакций в закреплениях и, следовательно, коэффициентов канонических уравнений значительно облегчают программирование, а совместное решение большого числа уравнений на электронной машине может быть получено с достаточной быстротой и точностью.
Применение метода перемещений для расчета конструкций в упругой среде предложено доц. Н. Н. Шапошниковым, разработавшим стандартные программы для ЭВМ «БЭСМ-4» и «Сетунь», позволяющие рассчитать сложнейшие подземные сооружения (например, обделки станций метрополитена глубокого заложения).
Расчетная схема подковообразной обделки на упругих опорах (рис. 99, а) представляет собой вписанный многоугольник, по концам сторон которого расположены пружины. Программа предусматривает автоматическое выключение пружин, попадающих в безотпорный участок.
Основная система (рис. 99, б) получена из расчетной схемы введением в каждом узле трех связей, препятствующих угловому Дер, горизонтальному Дх и вертикальному Ду смещениям.
Неизвестными 27 являются перемещения узловых точек, обращающие в нуль усилия во введенных связях.
Для каждой вершины многоугольника можно составить три канонических уравнения, содержащих для конечных точек (точки 1 и 4) шесть неизвестных, а для промежуточных точек — девять неизвестных.
Так, для точки 1:
ZT1 Z1 + f12 z2 + r13 Z3 4" r14 24 4" r15 Z3 4" Г 16 г6 — 0;
f 21 Z1 4~ f 22 Z2 + ^23 ^3 4“ ^24 ^4 ~h г25 Z5 4“ ^26 Z6 — 0>
(H2)
r31 Z1 4- f32 Z2 4- r33 Z3 4" r34 ^4 4" r35 Z5 4" r36 26 4" Pl — 0>
где
Zi = A(?i; г2 = Дхх; z3 = ^yl\
и4 = Дф2; г5 = Дх2; ?6 = Дг/2;
rik — реакция в связи i прямого стержня постоянной жесткости от единичного смещения по направлению связи k.
В матричной форме уравнения (112) имеют вид
^11 4“ ^12 Ф R1P —
(113)
где
Г11 f12 Г13
Г21 Г22 Г23
Г31 г32 Г33
21
Z2 ;
Z3
Г14 Г15 Г16
Г24 Г25 Г26 »
Г34 Г35 Г36
(114)
Полная система канонических уравнений имеет вид
+ R2P = 0;
(Н5)
^32 %2 4" #33 ^3~\~^3i ^4 + %ЗР — Qi
#43 %3 4~ #44 ^4 4“ #4Р = 0*
В случае необходимости в матрицы реакций вводят поправки, учитывающие податливость пят свода (в данном случае — поворот и вертикальное смещение в точке 4).
Система уравнений (115) может быть записана короче:
BZ -|- #р — 0,
(Н6)
где
#11 #12 0 0
#21 #22 #23 0
0 #32 #33 #34
0 0 #43 #44
(П7)
Здесь В — квазиматрица, Z и Rp— квазивекторы, так как их элементы являются матрицами (Rih) и векторами (Zj и Rip).
Координатами квазивектора перемещений Z = —B~rRp служат векторы перемещений концов стержней, входящих в расчетную схему. Зная их значения, можно определить внутренние усилия в стержнях, загруженных только по концам, по формулам строительной механики.
§ 40. ПРОВЕРКА ПРОЧНОСТИ СЕЧЕНИЙ ОБДЕЛКИ
Прочность предварительно заданных сечений бетонной обделки проверяют в соответствии с указаниями СНиП П-В. 1-62.
Напряжения в сечениях обделки не должны превышать расчетных сопротивлений, значения которых для тяжелых бетонов основных марок приведены в табл. 16.
Характеристики бетона, применяемого для возведения монолитных тоннельных обделок
Вид напряженного состояния Обозначения Расчетные сопротивления, кгс/си*. бетона проектных марок
20 0 250 300
Сжатие осевое (призменная проч-зх-гь) 7?пр 70 95 115
Сжатие при изгибе R* 90 115 140
Рктяжение осевое 6,4 8,1 9,5
При расчете прочности элементов обделки, бетонируемых в вертикальном ахтожении (стен), к значениям Rnp и Ra, принимаемым по табл. 16, допол-аательно вводят коэффициент условий работы, равный 0,85.
Поперечные сечения монолитных бетонных обделок обычно являются прямоугольными и подвергаются внецентренному сжатию. В зависимости от великаны эксцентриситета нормальной силы различают два случая.
При малых эксцентриситетах (eQ < 0,225ft) сечение является сжатым и пре-жльное сжимающее усилие определяют по формуле
(118>
Пг т — коэффициент условий работы, учитывающий отклонение расчетной схемы от действительной (т = 0,9).
При больших эксцентриситетах нормальной силы (е0 0,225ft) в сечении
«озннкают растягивающие напряжения. В этом случае предельное сжимающее уталие, соответствующее началу разрушения бетона у растянутой грани се-чевгия, определяют с учетом сопротивления растянутой зоны по формуле
Входящий в эту формулу множитель 1,75 учитывает повышение несущей охобности сечения за счет развития пластических деформаций.
Сечения обделок, не находящихся под давлением воды и не подвергающихся воздействию агрессивной среды, можно рассчитывать без учета сопротив-леаня растянутой зоны бетона; при этом усилие
Nn = mb{h — 2е0)Я„. (120)
Однако в этом случае величина эксцентриситета нормальной силы не лыжна превышать 0,45ft, а в растянутой зоне сечения необходимо ставить кон-— активную арматуру (суммарной площадью не менее 0,05% площади сече-№1. что нежелательно по производственным соображениям.
Если прочность сечения недостаточна, т. е. N > AZn, то в конструкцию □Ьвелкн должны быть внесены коррективы, к которым относятся: повышение ®г;<и бетона, армирование растянутой зоны сечения, увеличение его высоты лз изменение очертания свода.
Повышение марки бетона нецелесообразно, так как обычно большая часть ябоелки работает на внецентренное сжатие с малыми эксцентриситетами и, следовательно, недонапряжена. Армирование осложняет процесс бетонирования оЬзёлкн.
Лучшим решением является изменение очертания верхней части свода с трлблнжением оси обделки к кривой давления от действующих нагрузок.
Используя формулу (120), можно найти величину допустимого эксцентриситета нормальной силы N, действующей в замковом сечении:
h Г 1,75 mb/iRp
6 N
(121)
Требуемое уменьшение эксцентриситета е0 — [е0] должно быть достигнуто плавным изменением очертания оси. Обычно для улучшения условий работы верхней части обделки увеличивают подъемистость свода с одновременным уменьшением радиуса кривизны его в замке. При применении стандартного оборудования для бетонирования обделки (передвижная опалубки) такое решение неприемлемо. В этом случае более целесообразно увеличение высоты сечения в замке, которое повышает жесткость верхней части свода и вызывает некоторое увеличение изгибающего момента в замковом сечении, но позволяет сохранить стандартное внутреннее очертание обделки.
Если предельная сжимающая сила 7Vn значительно превышает расчетную силу N, возможно уменьшение высоты сечения до значения, которое может быть определено из формулы (119).
При использовании формулы (119) предполагают, что е0 = const. В действительности как увеличение подъемистости свода, так и уменьшение высоты сечения в замке способствуют уменьшению эксцентриситета. Следовательно, такое изменение конструкции содержит дополнительный запас прочности. При увеличении высоты замкового сечения следует ожидать некоторого увеличения эксцентриситета и назначать высоту сечения с учетом этого обстоятельства.
§ 41. РАСЧЕТ МОНОЛИТНЫХ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ
Изложенные методы статического расчета тоннельных обделок основаны на рассмотрении работы конструкции в упругой стадии при постоянном соотношении жесткостей ее элементов во всем интервале возможных нагрузок. Несущая способность конструкции определяется по достижению в одном из сечений расчетного сопротивления бетона растяжению от усилий, найденных без учета его пластических свойств.
Такая методика расчета не дает полного представления о поведении конструкции под нагрузкой и о действительных несущей способности и деформациях конструкции. Пластические свойства проявляются особенно заметно при медленном увеличении нагрузки, характерном для монолитных бетонных обделок, горное давление на которые возрастает по мере продвижения забоя выработки.
Образование трещин в наиболее напряженных сечениях монолитной обделки сопровождается местными пластическими деформациями материала, интенсивность которых возрастает с увеличением эксцентриситета приложения нормальной силы, возникновением углов перелома упругой оси и значительным уменьшением жесткости конструкции. Однако наличие пластических деформаций в отдельных сечениях еще не означает, что несущая способность конструкции исчерпана. При этом происходит изменение расчетной схемы с постепенным выключением внутренних связей до тех пор, пока не произойдет разрушение статически определимой части конструкции.
Правильная оценка несущей способности с учетом влияния возникновения трещин и изменения расчетной схемы конструкции может быть дана лишь посредством расчета по предельным состояниям, основанного на последовательном рассмотрении стадий работы конструкции под действием возрастающей нагрузки.
Для монолитных бетонных обделок имеют значение два предельных состояния: по образованию и раскрытию трещин и по несущей способности. Расчет по деформациям можно не делать, так как вследствие значительной жесткости конструкций этого вида исчерпание их несущей способности наступает раньше 118
чем деформации могут получить развитие, ограничивающее возможности эксплуатации сооружения.
Предельное состояние конструкции соответствует возникновению предельного состояния в одномили нескольких ее наиболее напряженных сечениях.
В обделках из монолитного бетона, обладающего недостаточной прочностью на растяжение, наиболее напряженным является замковое сечение, в котором относительный эксцентриси-/е0 \
тет ( — I нормальной силы достигает обычно
Рис. 100. Бесшарпирная схема работы обделки
максимального значения. До образования тре-
щины в этом сечении обделка практически работает как упругая система, так как области пластических деформаций возникают лишь в растянутых зонах и имеют небольшое протяжение. Образованию трещины соответствует достижение нормальной силой в замке свода предельного значения N^.
Целью расчета является определение интенсивности <?пР нагрузки, вызывающей данное предельное состояние. Очевидно, что предельная нагрузка может быть найдена из выражения
<7пр —
(122)
где Х2 — значение нормальной силы в замковом сечении бесшарнирной обделки от комбинации единичной вертикальной и соответствующей ей горизонтальной нагрузки г (рис. 100), равной отношению заданных расчетных нагрузок:
е=—; (123)
q
N'— предельное значение нормальной силы в замковом сечении при эксцентриситете е0 =—.
Образование трещины происходит, когда относительная деформация растянутой грани сечения достигает величины предельной растяжимости бетона [ер = (0,00010 4- 0,00015)].
Представление о напряженном состоянии внецентренно сжатого бетонного сечения в момент трещинообразования дает рис. 101. Относительная высота с = ^растянутой зоны сечения может быть найдена из кубического уравнения » I*
где
Рпс. 101. Напряжения и деформации в бетонном сечении в момент трещинообразования
Рис. 102. Образование пластического шарнира
(124)
Нормальная сила, соответствующая моменту трещинообразования,
NnV = mtbhRv (125)
где
t = с<4~
0 —2с
После образования трещины в замке обделки нормальная сила перемещается внутрь сечения и уравновешивается сжимающими напряжениями с интенсивностью равномерно распределенными по площадке смятия (рис. 102). Эксцентриситет нормальной силы
Этому эксцентриситету соответствует момент в замковом сечении .
Ма^Неп. (127)
Таким образом, после образования трещины в замковом сечении обделка превращается водношарнирную (рис. 103) с нормальной силой Н, приложенной в смещенном относительно оси обделки пластическом шарнире.
При дальнейшем увеличении нагрузки в зависимости от характеристик обделки и породы возможно наступление одного из следующих предельных состояний:
I. Развитие трещины в замковом сечении, - ширина которой согласно СНиП П-Д.8-62 не должна превышать 0,2 мм.
2. Образование пластических шарниров в сечениях, симметрично расположенных под углом а к вертикали (рис. 104), с превращением верхней части свода в трехшарнирную арку. При возрастании нагрузки и соответственно нормальной силы увеличивается площадка смятия в каждом из пластических шарниров. При достижении в одном из них относительного эксцентриситета, равного 0,225, происходит хрупкое разрушение сечения и конструкции в целом.
Хрупкому разрушению сечения соответствует нормальная сила
= 0,55 mb/г/?,, (128»
Для монолитных бетонных обделок подковообразного очертания нагрузка, соответствующая этому случаю, обычно значительно превышает нагрузку, при которой трещина в замковом сечении достигает предельного раскрытия. Эта нагрузка близка к нагрузке трещинообразования. q'nf, определяемой по формуле (112), к чему практически и сводится расчет по предельным состояниям.
Глава 10
ПРОХОДКА ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТОННЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК
§ 42. СХЕМА СООРУЖЕНИЯ ТОННЕЛЯ
Процесс сооружения тоннеля состоит из двух основных операций: про' ходки выработки, т. е. удаления породы из пространства, предназначенного для размещения тоннеля, и возведения тоннельной конструкции — обделки.
В зависимости от крепости и состояния горных пород проходку выполняют с временным креплением выработки или с оставлением ее незакрепленной. Временную крепь (из дерева, стали или железобетона) применяют с целью предотвращения остаточных деформаций контура выработки и связанного с ними развития горного давления. Поэтому крепь должна иметь достаточную жесткость, устанавливать ее нужно как можно скорее после обнажения породы, с плотным примыканием к породе. Период пребывания выработки на временной крепи, как правило, следует уменьшать до минимума, так как только сооружение постоянной обделки с заполнением зазора за ней нагнетанием цементного раствора обеспечивает стабилизацию напряженного состояния горного массива вокруг тоннеля.
Обычно проходку выработки начинают из предпортальной выемки (рис. 105), лобовой откос которой закрепляют для предотвращения возможности обрушения (крепление врезки). После того как забой опережающей выработки достаточно продвинулся, приступают к раскрытию выработки полного сечения. Этот процесс, называемый расширением, выполняют, начиная с входного участка или из опережающей выработки. В последнем случае устраивают так называемую рассечку, из которой ведут проходку в одну или обе стороны, обеспечивая один или два промежуточных забоя. Удаление забоя опережающей выработки от участка расширения носит название опережения.
В зависимости от свойств горных пород и размеров сечения выработки ее раскрывают за один прием или по частям. В первом случае площадь забоя равна площади всего сечения 1 выработки (рис. 105, а), в которой возводят тоннельную обделку 2. Во втором случае в первую очередь проходят опере^ жающую выработку 1 меньшего сечения (рис. 105, б), используя которую как базу для развертывания проходческих работ, расширяют сечение до проектных размеров 2, 4, 5, 7. Тоннельную обделку сооружают по частям 3, б, 8 в процессе раскрытия выработки.
Рис. 105. Схема сооружения тоннеля
§ 43, ОПЕРЕЖАЮЩИЕ ВЫРАБОТКИ
В качестве опережающей выработки чаще всего применяют направляющую штольню, располагаемую в нижней части сечения тоннеля (см. рис. 105).
Направляющую штольню используют для прокладки подземных ходов геодезической основы и разбивки оси тоннеля, уточнения геологических и гидрогеологических данных о прорезаемом горном массиве,осушения выработки посредством дренажа подземных вод, размещения откаточных путей, вентиляционных труб, кабелей и водоотводных устройств. В случае необходимости по длине штольни создают дополнительные забои для ускорения работ по раскрытию выработки на полное сечение.
Выполнение перечисленных требований в наибольшей степени обеспечивает нижняя направляющая штольня, которая исключает необходимость в перекладке откаточных путей, вспомогательных устройств и сети геодезических знаков в течение всего периода строительства. Кроме того, наличие нижней направляющей штольни обеспечивает возможность удобного перехода от одного способа проходки к другому при неожиданном изменении геологических условий.
Для последующего расширения сечения необходима проходка верхней штольни. Поэтому естественно стремление использовать ее в качестве направляющей. При этом сокращается объем трудоемких работ по проходке штолен, но возникают некоторые трудности. Верхняя штольня дренирует лишь верхнюю часть сечения, в то время как его нижнюю часть разрабатывают в условиях притока подземных вод.
Открытие промежуточных забоев по расширению сечения на базе верхней направляющей штольни менее удобно. При этом усложняется транспорт породы из нижних разрезов, необходима организация водоотлива; откаточные пути, вспомогательные устройства и геодезическая основа подлежат перекладке из верхней штольни на нижний уровень. Изменение способа проходки при встрече слабых пород на базе верхней штольни практически невозможно.
Поэтому применение верхней штольни в качестве направляющей целесообразно в сухих однородных по трассе тоннеля крепких породах при отсутствии необходимости в промежуточных забоях, т. е. при сооружении тоннелей небольшой длины (до 300 м).
В практике современного тоннелестроения имеется тенденция к отказу от направляющих штолен и проходке с расчленением сечения на более крупные части. В этом отношении заслуживает внимания способ проходки с опережающей калоттой, описанный в § 56.
Срок сооружения тоннеля в большой степени зависит от скорости проходки опережающей выработки, служащей базой для развертывания работ по раскрытию выработки полного сечения, и в основном определяется временем, необходимым для сбойки направляющих штолен или выработок полного сечения, проходимых встречными забоями. Поэтому следует форсировать проходку опережающих забоев, начиная ее до полного оснащения строительной площадки и ведя работы в три смены с максимальным применением механизации.
Опережение штольни относительно участка развертывания работ по расширению должно быть достаточным, чтобы при встрече непредвиденных трудностей (весьма твердых или плывунных пород, сильного горного давления, высоких температур, прорыва воды или плывунов) замедление проходки штольни не задержало работ по расширению на участке, примыкающем к забою штольни. Однако не следует допускать и слишком большого опережения штольни, так как в этом случае возникают затруднения с транспортом породы в узкой выработке, ухудшаются условия вентиляции, усложняется надзор за состоянием временной крепи.
Кроме того, длительное пребывание выработки на временной крепи, подверженной деформациям и осадкам, вызывает смещения в расположенных над штольней горных породах, и последующая их разработка будет происходить 122
в менее благоприятных условиях.
Рекомендуется ограничивать опережение направляющей штольни длиной 100—200 м, допуская его увеличение до 300—500 м лишь при сооружении длинных (более 3000 м) тоннелей.
Для ускорения сбойки опережающих выработок и повышения скорости возведения тоннеля обычно стремятся увеличить число забоев, в которых ведут
одновременную проходку. Открытие фронта проходческих работ может быть
выполнено непосредственно из предпортальной выемки, из ствола шахты, заложенной на трассе тоннеля, или через штольни-«окна», пройденные в поперечном к оси тоннеля направлении (рис. 106).
Проходка стволов шахт требует затраты больших средств и времени, поэтому их применяют для этой цели лишь в случае горных тоннелей неглубокого заложения (до 100—200 м) с последующим использованием для вентиляции во время эксплуатации сооружения. Для открытия фронта работ при строительстве метрополитенов и гидротехнических тоннелей вертикальные шахты и, кроме того, наклонные выработки имеют более частое применение.
Штольни-«окна» чрезвычайно целесообразны, так как не требуют больших затрат и обеспечивают естественное удаление подземных вод и удобный отвал породы. Однако их применение ограничивается случаем, когда трасса тоннеля проходит достаточно близко к косогору (не далее 100 м от него), что иногда встречается при сооружении петлевых и спиральных тоннелей.
Нижнюю направляющую штольню располагают по оси тоннеля таким образом, чтобы при расширении сечения не требовалось перекладывать пути и различные вспомогательные устройства (рис. 107). Поэтому пол штольни должен совпадать с основанием балластного слоя. При наличии обратного сво
да низкое положение штольни сильно затрудняет водоотвод, так как вода стекая от забоя, скапливается около обратного свода готового тоннеля. В этом случае штольню следует располагать несколько выше, так, чтобы водоотводная канава штольни совпадала по высоте с водоотводным лотком в готовой части тоннеля или была несколько выше этого лотка.
При назначении высотного положения верхней штольни необходимо иметь в виду, что верхний элемент ее крепи (в е р х н я к), как правило, входит в состав окончательной крепи выработки и его не удаляют перед бетонированием обделки. Поэтому верхняк следует располагать так, чтобы при возмож
ных в процессе проходки осадках его низ находился выше проектного контура обделки.
Величину возможной осадки определяют практически при разработке на полный профиль первых колец тоннеля, и зависит она от многих факторов, к числу которых относятся свойства породы, продолжительность пребывания выработки на временной
Рис. 107. Расположение штолен по высоте
крепи, последовательность раскрытия и система крепления выработки, качество работ по выемке породы и креплению выработки, величина ее пролета.
При проходке выработок однопутных железнодорожных тоннелей в глинистых породах предусматривают возможность осадки в 30 см, в трещиноватой скале — 10—20 см.
В скальных породах, не оказывающих бокового горного давления, сечение штольни может быть принято прямоугольным. В породах, где возможно несимметричное боковое давление, крепежная рама прямоугольного сечения, составленная из элементов, соединенных в узлах простым опиранием, легко теряет устойчивость. Более надежной формой крепи является трапециевидная форма. При горизонтальном смещении верхняк такой рамы поворачивается, прижимаясь к потолку выработки. Возникающий при этом отпор породы препятствует изменению формы рамы под действием одностороннего бокового давления.
Трапециевидная форма с уклоном (раскоской) стоек рамы, равным примерно 1:10, удобна и по другим соображениям: нижняя уширенная часть сечения штольни может быть использована для размещения различных вспомогательных устройств, а уменьшение пролета верхняка позволяет уменьшить его сечение.
Стоимость выемки породы из штолен превышает стоимость выемки породы из других частей выработки. Поэтому сечение штолен необходимо назначать минимальным с учетом размещения путей и всех вспомогательных устройств (например, вентиляционных труб).
Ширину двухпутной штольни принимают такой, чтобы между единицами подвижного состава оставался зазор не менее 20 см, а между стойками крепежной рамы и подвижным составом на уровне его верха — зазор не менее 25 см. Во всех транспортных выработках с одной стороны должен быть предусмотрен проход для людей шириной не менее 70 см.
Высоту транспортной штольни в свету назначают в зависимости от применяемого вида транспорта. При откатке контактными электровозами она примерно равна 2,5 м, так как контактный провод подвешивают на высоте не менее 2,2 м от уровня головок рельсов откаточных путей. При других видах откатки высоту штольни в свету принимают равной 2 м.
Высоту верхней штольни назначают возможно большей (до 3,5 mi , чтобы облегчить при раскрытии выработки переход от штольни к калотте. Если уровень пола штольни сохраняется во время бетонирования свода, высоту штольни назначают так, чтобы под установленными кружалами свода имелся проход высотой не менее 1,8 м.
Фа с. а д
Рис. 108. Крепление врезки
§ 44. КРЕПЛЕНИЕ ВРЕЗКИ
Проходку обычно начинают из предпортальной выемки, лобовой откос которой предварительно должен быть закреплен от возможного обрушения. Закрепление лобового откоса — крепление врезки (рис. 108) — обеспечивается укладкой вдоль откоса горизонтальных бревен 6, связанных в рамы наклонными балками 4 и в местах расположения горизонтальных прогонов 5, подпертых подкосами 2. Опорами для подкосов служат параллельные откосу лежни 7, обеспеченные от сдвига короткими сваями 1. В случае необходимости за горизонтальные бревна 6 закладывают доски.
Над крепью врезки устраивают козырек 5, предназначенный для задержания случайных камней, которые могут скатиться с лобового откоса.
В скальных породах при крутых лобовых откосах необходимость в креплении врезки отпадает. Однако должны быть приняты меры против возможных осыпей, которые могут привести к завалу входа или обрушению крепи входного участка. В этом случае у входа в выработку устанавливают деревянные рамы, по которым устраивают перекрытие из бревен с каменной отсыпкой, достаточной для погашения энергии возможного удара.
§45. ПРОХОДКА И КРЕПЛЕНИЕ ШТОЛЕН
Проходка штолен в породах, не требующих крепления, сводится к выполнению цикла буровзрывных работ (см. §51).
При необходимости в устройстве крепления характер его определяется устойчивостью горных пород, в которых ведут проходку. В крепких скальных породах закрепляют только кровлю выработки. Верхняки из бревен диаметром 20—30 см укладывают на уступы, образованные взрыванием в верхней части стен выработки, и плотно заклинивают в породу.
В средних и слабых скальных породах штольневая крепь представляет собой так называемый неполный дверной оклад (рис. 109), состоящий из верхняка 4 диаметром 20—30 см и двух стоек 1 диаметром 18— 25 см. Стойки опираются на деревянные подкладки или (чаще) в лунки, пробитые в породе. Раму тщательно расклинивают по контуру. Соединяют верх-няк со стойками взаимной врубкой «в лапу» и укрепляют скобами 7. Продольная жесткость крепи обеспечивается постановкой в углах рамы распорок (рошпанов)2 диаметром 12—15 см. При высоте штольни более 2,5 м устанавливают второй ярус распорок. Соединяют распорки с элементами рамы полукруглой врубкой «в шор» со скобами.
Кровля штольни поддерживается досками (затяжками) 6 толщиной 5—7 см, концы которых подхватываются поперечинами (ф и л а т а м и) 5 из досок толщиной 7 см и плотно прижимаются к породе забивкой клиньев 3. Длину досок назначают на 30—40 см больше шага рам.
В мягких породах требуется большая площадь опирания стоек. Поэтому при отсутствии бокового давления опорами для стоек служат деревянные подкладки. При наличии бокового давления, которое может сместить низ
Рис. 109. Штольневая крепь при отсутствии бокового давления
Рис. ПО. Штольневая крепь при боковом давлении
стойки конструкцию крепа (рис. 110) дополняют лежнем 2 диаметром 20—30 см. Рама замкнутого очертания носит название п о л» ного дверного ок* лада. Шаг рам принм-мают равным 1—1,5 ml В случае необходимости между основными рамама устанавливают промежуточные рамы 3. Стены выработки затягивают досками 1 вразбежку.
По правилам техники безопасности в устойчивых породах допускается отставание крепи от забоя не более чем на 1 м. Все пустоты за крепью должны быть тщательно забучены породой или деревом. При перерыве в работе кровля к стены выработки должны быть затянуты до забоя, а забой закреплен досками вразбежку.
В слабых и неустойчивых породах проходку следует вести так, чтобы исключить возможность выпуска породы, следствием которого может быть развитие смещений окружающей породы и резкое возрастание горного давления. В случаях, рассмотренных ранее, затяжку поверхностей выработки вели после выемки породы. В слабых и неустойчивых породах это недопустимо, поэтому применяют обратный порядок работ: сначала обеспечивают закрепление контура выработки, а затем производят выемку породы. Для этого применяют так называемую забивную крепь, опирающуюся на полные дверные оклады (рис. 111), расположенные через 0,8—1 м друг от друга или в случае особенно больших давлений — всплошную. Если необходимо предотвратить выпирание слабой породы, под лежни рам укладывают дощатый иастил.
Забивная крепь состоит из досок (марчеван), забиваемых под некоторым углом к продольной оси выработки и заостренных так, чтобы при забивке отпор породы отжимал их концы в сторону от выработки. Забивку досок ведут следующим образом (рис. 112). Первый посад досок 2 забивают иад рамой, установленной у затянутого лобовыми досками 1 забоя. Под защитой образованного таким образом козырька снимают одну-две доски лобовой крепи, вынимают породу на такую глубину, чтобы концы забивных досок оставались заделанными в породу на 20—30 см, и лобовые доски переставляют в новое положение, отстоящее от начального на величину шага рам (или его части). Переставленные доски поддерживаются продольными брусками 3 соответствующей длины, опирающимися в стойки рамы. Таким образом, породу разрабатывают на глубину полной или частичной заходки и крепят ее по всей высоте забоя. В последнем случае подобный цикл работ повторяется.
По завершении проходки на полную глубину заходки подводят верхняк, помещаемый у забоя на двух вспомогательных стойках 4, опирающихся на лежень и распертых в предыдущую раму. Под концы забивных досок подкладывают поперечину (филату) и между ней и верхняком
Рис. 111. Штольневая крепь в неустойчивых породах: / — распорка; 2 — клинья: 3 — поперечина; 4 — верхняя; б — стойка; 6' —лежень; 7 —свая; в—>забивная доска; 9 — водоотводная канава
забивают высокие клинья 5, заполняющие зазор, высота которого равна сумме толщин забивной доски и нормального клина 6. После этого снимают продольные бруски, устанавливают стойки рамы и забивают клинья между ними и концами лобовых досок. Во время этого перекрепления лобовые доски поддерживаются на клиньях вспомогательными стойками, которые убирают в конце цикла работ.
Следующий посад досок забивают в промежутки между высокими клиньями. Между этими досками и поперечиной забивают клинья нормальной высоты, затем убирают высокие клинья и на их место забивают остальные доски, в результате чего образуется сплошное покрытие.
Крепление боковых поверхностей выработки, выполняемое аналогичным способом, не должно отставать от крепления кровли.
Для обеспечения отвода воды от забоя прокладывают водоотводную канаву шириной 30—40 см и глубиной 40—60 см (в зависимости от ожидаемого притока подземных вод) с уклоном не менее 3°/00, стенкн которой в случае необходимости закрепляют досками от размыва, а верх перекрывают деревянным настилом.
Особые трудности представляет проходка штолен в слабых водоносных и плывунных породах, прорыв которых через неплотности крепи связан с опасностью затопления выработки и значительных осадок. Для предотвращения выноса пылеватых частиц грунта вместе с водой, поступающей в выработку, применяют шпунтованные забивные доски, швы между которыми конопатят. Прорыв в углах выработки, где забивные доски расходятся веером, предотвращают применением специальных угловых досок переменной ширины. С целью усиления штольневой крепи, подвергающейся у забоя дополнительному давлению при забивке досок, под штольневые рамы устанавливают п о д х в а -ты (у н т е р ц у г и). Для этого в углы рам заводят продольные прогоны: верхние (л о н г а р и н ы) и нижние (б а н т и н ы). Прогоны распирают в поперечном направлении стойками ( ш т е н д е р а м и) и горизонтальными распорками (р о ш п а н а м и). Установка подхватов уменьшает расчетные пролеты верхняков и стоек и способствует увеличению обшей устойчивости крепи.
Иногда для предотвращения выноса из-за крепи пылеватых частиц грунта по наружной поверхности элементов подхватов нашивают доски, пространство за которыми забивают любым фильтрующим материалом.
В слабых водоносных породах наиболее надежна проходка под сжатым воздухом (см. § 99), отжимающим воду и повышающим устойчивость водоносных пород.
Деревянная крепь громоздка, требует бесполезного увеличения объема выработки, обладает большой деформативностью, ведущей к осадкам и развитию движений в окружающих породах, и, как правило, не допускает повторного использования. В то же время способность подвергаться значительным деформациям без обрушения является ее достоинством, так как создается возможность своевременно принять меры к усилению крепи, подвергшейся горному давлению, превышающему расчетное.
Рис. ИЗ. Железобетонная рама штольни
Рнс. 114. Железобетонная штольневая крепь треугольной формы
Современным установкам в области индустриализации строительства в большей степени отвечает инвентарная крепь.
Для штолен, находящихся на временной крепи длительное время, целесообразно применять сборную крепь из железобетонных элементов, преимуществами которых являются удобство сборки, стойкость против коррозии и экономичность. В горной промышленности для увеличения податливости крепи, позволяющей контролировать нарастание горного давления, между железобетонными элементами вводят деревянные прокладки (рис. 113). На строительстве Ленинградского метрополитена успешно применена крепь (рис. 114), состоящая из трех железобетонных блоков.
В горном деле для крепления штольневых выработок широко применяют стальную и анкерную крепи (см. § 57).
§ 46. СОЕДИНЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ПО ВЫСОТЕ
В процессе сооружения тоннеля части выработки, расположенные на раз-
ных уровнях, соединяются между собой для перемещения людей, сбрасывания
породы, разрабатываемой на верхнем горизонте, а также для подачи наверх материалов. Кроме того, такое соединение необходимо для доступа из нижней штольни в верхнюю в начале проходки, т. е. при рассечке верхней штольни.
Рассечка верхней штольни. Работы по рассечке верхней штольни (рис. 115) начинают с устройства над откаточными путями плотного предохранительного полка 3 с бортами высотой не менее 15 см для обеспечения безопасности движения по нижней штольне. В первую очередь снизу вверх до уровня кровли верхней штольни проходят вертикальный ходок (фурнель) 1 сечением 70 х 70 см.
В скальных породах проходку ходка ведут взрыванием параллельных шпуров, в мягких и неустойчи-
Рис. 115. Рассечка верхней штольни
вых породах — вручную с тщательным креплением, отстающим от забоя не более чем на 1 м, и последовательной переборкой досок, затягивающих кровлю.
В водоносных породах для предотвращения неожиданного прорыва плывунов или воды проходку ведут с бурением скважины, опережающей забой не менее чем на 2 м. Для крепления ходка обычно при-
меняют ящичную крепь из заранее подогнанных досок толщиной не менее 7 см.
После проходки ходка на полную высоту расширяют верхнюю часть ходка до размеров, требуемых для постановки двух рам верхней штольни, с закреплением кровли и боков выработки. Для обеспечения
Рис. 116. Наклонный ходок
возможности проходки верхней штольни ходок
расширяют сверху вниз по
всей высоте таким образом, чтобы, кроме грузового отделения, можно было устроить огражденное и снабженное лестницей людское отделение 2 размером в свету не менее 100 х 70 см. Ограждение делают в виде бревенчатых распорок со сплошной дощатой стенкой толщиной не менее 5 см. Оба отделения ходка должны быть постоянно закрыты откидными крышками (лядами), в уровне подошвы верхней штольни, причем лаз людского отделения ограждают бортами высотой не менее 25 см.
Ходки для сбрасывания породы. По мере проходки верхней штольни (или опережающей калотты) не реже чем через каждые 12 м пробивают вертикальные ходки для сбрасывания породы в транспортную штольню. В мягких и неустойчивых породах эти ходки проходят вручную сверху вниз с постановкой ящичной дощатой крепи или (в слабых породах) с забивной крепью по рамам из бревен диаметром 12 см, устанавливаемым не реже чем через 100 см.
В скальных породах крепить ходки не нужно, в особенности если они имеют круглое или овальное сечение. Достаточно установить по контуру сечения вертикальные доски для направления сбрасываемой породы.
Ходки для спуска породы оборудуют снизу приемными устройствами с дозаторами, приспособленными для погрузки породы в вагонетки. Сверху должны быть помещены стальные предохранительные решетки с ячейками размерами не более 30 х 30 см.
Материальные ходки. Для подачи материалов в верхнюю штольню (или ка-лотту) служат материальные ходки — выработки большого сечения, оборудо-
ванные клетьевым подъемом, рассчитанным на одну вагонетку.
Длинномерные материалы (прогоны, стойки, элементы стальных дуг) доставляют в верхнюю штольню (или калотту) через наклонные или уступчатые ходки, иногда называемые бремсбергами.
Наклонные ходки (рис. 116) представляют собой штольни, проходимые под углом 30° к горизонту, с крепью из полных дверных окладов, перпендикулярных оси штольни. Сечение такого ходка высотой не менее 1,8 м делят на две части — материальное отделение с полом, обшитым досками, и людское отделение шириной не менее 0,7 м, снабженное лестницей с перилами.
Достоинством наклонных ходков является их универсальность, позволя-щая быстро и безопасно устраивать их не только в устойчивых, но и в слабых породах. Недостатки таких ходков — большая длина и значительный объем
работ по выемке породы и креплению, а также наклонное положение крепеж-
ных рам, неблагоприятное для статической работы на вертикальное давление. Вследствие этого наклонные рамы ходка обычно усиливают подхватами.
В породах, оказывающих преимущественно вертикальное горное давление, более экономичен и удобен уступчатый ходок (рис. 117), стенки которого
закрепляют срубом из заранее заготовленных элементов. Продольные размеры уступчатого ходка назначают графически из условия свободного перемещения наиболее длинного элемента крепи, ширину принимают равной ширине верхней штольни поверху. Уступчатый ходок имеет минимальную длину и требует выемки сравнительно небольшого объема породы.
Наклонные н уступчатые ходки используют для пропуска из нижней штольни на верхний горизонт вентиляционных труб и другого вспомогательного оборудования, что следует учитывать при назначении размеров их сечений.
§ 47. РАСКРЫТИЕ КАЛ ОТТ
или через деревянные подкладки на
Рис. 118. Установка подхвата в верхней 130
Наиболее ответственным этапом расширения сечения тоннеля является переход от имеющей небольшие поперечные размеры верхней штольни к выработке полной ширины, т. е. раскрытие калотты1. При этом в связи с увеличением пролета выработки значительно увеличивается горное давление. Скорость его нарастания зависит от того, в какой степени при раскрытии калотты нарушается равновесие окружающих горных пород, что в значительной степени зависит от конструкции применяемой временной крепи.
Расширение сечения выработки на полный профиль н бетонирование обделки ведут отдельными кольцами, длину которых назначают в зависимости от условий проходки в пределах от 4 до 6,5 м. При быстром нарастании горного давления н большом притоке подземных вод допускается уменьшение длины кольца до 2 м.
При раскрытии калотты в породах, требующих крепления, большое распространение имеет так называемая веерная крепь, основой которой являются продольные элементы — прогоны (лонгарины), по длине равные длине раскрываемого кольца.
Раскрытие калотты начинают не раньше чем верхняя штольня будет пройдена на три кольца при наличии двух вертикальных ходков, соединяющих ее с нижней штольней по обе стороны от раскрываемого кольца. Перед раскрытием калотты необходимо усилить крепь верхней штольни и одновременно обеспечить опоры для досок, затягивающих кровлю калотты, посредством постановки подхвата.
Для этого в углы штольневых рам (рис. 118) заводят прогоны 5 диаметром 22—30 см, опирающиеся на стойки (ш т е н д’е р ы) 4 подхвата (диаметром 20—25 см) н распертые в поперечном направлении распорками 6 (диаметром 12—15 см). Элементы рамы подхвата соединяют между собой врубками «в шор» (см. рис. 109) и скобами. Стойки подхвата устанавливают в разных плоскостях со стойками штольневых рам и опирают на породу непосредственно (в лунки) клиньях для передачи на подхват всей нагрузки, ранее воспринимавшейся стойками штоль-' невой крепи.
=====^-т ч Наиболее целесообраз-но введение стоек подхвата в работу без применения / / клиньев, которые от сотря-7 / & . сений и толчков могут сдви-/ /& гаться и поэтому требуют
/ / постоянного внимания. Для
/ этой цели применяют стой-
I Ifc: ки, имеющие длину, не-
11^ 1 При использовании в
J качестве опережающей выра-
ботки калотту проходят сплошным забоем в продоль-штольне ном направлении.
рамы
сколько большую, чем расстояние между низом прогона и опорной площадкой, и снабженные вырубкой по цилиндрической поверхности на верхнем конце. Устанавливая стойку с наклоном в плоскости, проходящей вдоль прогона, ударами приводят ее в проектное положение. При этом происходит некоторое обмятие врубки, вследствие чего прогон прижимается к верхнякам рам штольни.
После взятия крепи штольни на подхваты снимают боковые доски и начинают разработку породы симметрично в обе стороны от верхней штольни до тех пор, пока не освободится пространство, достаточное для постановки второй пары прогонов <3 (см. рис. 118). Предварительно снимают ставшие ненужными стойки штольневых рам 8 (показаны штриховой линией). Кровлю между погонами затягивают досками 2 (затяжками), и давление от досок передается на вторую пару прогонов через поперечины 1 и клинья 7, плотно прижимающие доски к породе.
В слабых породах разработку калотты начинают с забивки в поперечном направлении досок (марчеван), опирающихся на первую пару прогонов. Под прикрытием этих досок вынимают породу в обе стороны от штольни с постепенным удалением боковых досок и стоек штольневых рам. Когда порода вынута настолько, что концы забивных досок остаются закрепленными в породе на 20—30 см, под доски подводят поперечину и второй прогон с поддерживающими его стойками. Между поперечиной и прогоном ставят высокие клинья, в промежутки между которыми забивают доски следующего посада, и производят дальнейшую разработку породы.
Прогоны располагают по высоте с учетом возможности их осадки в процессе раскрытия выработки и бетонирования обделки. Если во время бетонирования прогоны подлежат удалению, их располагают так, чтобы после осадки поддерживаемые ими доски оказались за пределами проектного контура обделки.
Рис. 120. Укладка швеллера малой калотты
Рис. 121, Раскрытие большой калотты
131
5*
Если удаление прогонов сопряжено с опасностью больших осадок кровли, прогоны располагают за пределами проектного контура обделки с учетом возможных осадок. При высоте более 2 м стойки распирают в продольном и поперечном направлениях распорками, устанавливаемыми примерно на половине их высоты.
В результате раскрытия калотта в пределах одного кольца оказывается закрепленной поперечными тоннельными фермами, состоящими из стоек и распорок и связанными в продольном направлении прогонами и распорками (рис. 119).
Высота калоттной выработки, раскрываемой из верхней штольни, равна высоте штольни, т. е. не больше 3,5 м. В некоторых случаях (при сооружении тоннеля способом опертого свода) раскрывают калотту на большую высоту понижением ее пола в местах расположения пят свода.
При раскрытии калотты в скальных породах, требующих для разработки применения взрывных работ, необходима особая осторожность. Перед взрыванием калотты крепь штольни должна быть тщательно расшита для увеличения ее устойчивости. Части калотты, расположенные по обе стороны штольни, следует взрывать поочередно, приступая к разработке второй половины лишь после того, как первая половина калотты закреплена.
Если в ходе последующего раскрытия выработки требуется понижение пола по всей ширине калотты, его осуществляют в один-два приема с последовательным раскрытием малой (иногда средней) и большой калотт. Для облегчения понижения пола калотты в состав крепи вводят горизонтальные элементы— швеллеры, служащие основанием для стоек тоннельных ферм.
При раскрытии малой калотты на длину кольца установке рам подхвата предшествует укладка поперек верхней штольни четырех-пяти швеллеров малой калотты (ШМК) — отесанных на два канта бревен диаметром до 40 см и длиной, достаточной для установки на каждом всех стоек тоннельной фермы (рис. 120). Швеллеры малой калотты укладывают в канавки глубиной 50 см, концы которых расположены в нишах, пробитых в стенах верхней штольни. Раскрытие малой калотты выполняют в описанной выше последовательности с опиранием стоек на швеллеры малой калотты.
Для перехода к раскрытию большой калотты (раскрытие на среднюю калотту производят редко) в канавах, прорытых поперек выработки в достаточном удалении от тоннельных ферм малой калотты и закрепленных с учетом крепости породы, укладывают швеллеры большой калотты (ШБК) — отесанные на два канта бревна диаметром до 50 см (рис. 121). Длину швеллеров большой калотты, располагаемых на уровне пят свода, принимают несколько меньшей расстояния между стенами тоннельной обделки. Для возможности подачи и укладки на место швеллер большой калотты устраивают состоящим из двух частей, соединяемых врубкой с накладками. После укладки на место всех швеллеров большой калотты в пределах одного кольца перекрепляют кровлю выработки со стоек малой калотты на стойки большой калотты. Введение стоек в работу осуществляют установкой «в загон» без применения клиньев. Затем снимают стойки, распорки и швеллеры малой калотты.
Окончательная крепь большой калотты состоит из тоннельных ферм, основанием для которых служат швеллеры большой калотты.
Более удобно и технически целесообразно выполнять раскрытие калотты с применением инвентарной стальной крепи. В этом случае крепь калотты состоит из поперечных арочных кружал, а доски забивают в продольном направлении (см. стр. 183).
При расширении сечения выработки необходимо стремиться исключить переборы породы за пределами проектного контура. Переборы увеличивают объем работ по проходке и в особенности по бетонированию обделки, а также вызывают опасные осадки кровли.
Перебор по высоте допускают не более 50 мм, перебор в плане при работе отбойными молотками — не более 100 мм, при взрывном способе работ — не более 100—200 мм (в зависимости от крепости пород).
Глава li
РАЗРАБОТКА ПОРОДЫ ПРИ ПРОХОДКЕ ТОННЕЛЕЙ
§48 . ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Особенностью подземных работ в сравнении с работами надземными является необходимость создания выработки достаточных размеров для того, чтобы разместить запроектированное подземное сооружение. Разработка породы, подлежащей удалению, и ее перемещение к месту отвала являются чрезвычайно трудоемкими процессами, требующими максимальной механизации. Выбор способа и средств механизированной разработки определяется прежде всего свойствами горных пород (твердость, вязкость, упругость, трещиноватость и пр.). В связи с этим возникла необходимость классификации последних по разрабатываемое™. Классификация Строительных норм и правил <СНиП1У-10) делит породы по разрабатываемое™ на одиннадцать категорий табл. 17) в порядке возрастания крепости и увеличения чистого времени бурения 1 пог. м шпура в стандартных условиях (пневматическим перфоратором ПА-23 с коронкой КД диаметром 42 мм, армированной твердыми сплавами).
Таблица 17
Классификация горных пород
Категории погод по СНиП IV-10 Примерная величина коэффициента f крепости по Протодьякопову Чистое время бурения 1 пог. м шпура, мни Коэффициент kp разрыхления породы Способ разработки
I 0,4—0,6 1,1 Ручной
II 0,6—1,0 — 1,2 Ручными пневматически-
III 1,0-1,5 — 1,3 ми инструментами
IV 1,5—2,0 До 3,7 1,4 Ручными пневматически-
ми инструментами или
взрыванием
V 2—3 3,8—4,9 1,8 Взрывной
VI 4—5 5,0—6,6 2,0
VII 5—6 6,7—8,9 2,0 -у
VIII 7—9 9,0—12,1 2,0
IX 10—14 12,2—16,5 2,0 :>
X 15—18 16,6—22,0 2,2
XI 19—20 Более 22 2,2
Ручная разработка с помощью лопат, заступов, кирок в ломов отличается малой производительностью и большой трудоемкостью; ее применяют в редких случаях (например, при работе в слабых и неустойчивых породах, требующих тщательного крепления, при подчистке и подборке в устойчивых породах).
Ручную разработку в неустойчивых породах выполняют последовательным снятием слоев в забое сверху вниз с перестановкой лобовой крепи, а в устойчивых — откалыванием породы от нависающего уступа забоя с обрушением ее на пол выработки. По условиям удобства работ на одного проходчика отводят не менее 1 м ширины вертикального забоя или 2—3 м2 площади забоя ствола шахты.
§49 . РАЗРАБОТКА ПОРОДЫ РУЧНЫМИ МЕХАНИЗИРОВАННЫМИ ИНСТРУМЕНТАМИ
Для механизации разработки пород I—III категорий обычно применяют пневматические инструменты (пневматические лопаты и отбойные молотки), характеризующиеся следующими показателями:
Давление сжатого воздуха, кгс/см2 .............. 4—5,5
Расход сжатого воздуха, мэ/мин .................0,9—1,25
Частота ударов в минуту.........................1100—1600
Масса, кг ......................................8—10,8
Мергель, известняк
Мягкие сланцы
Вязкие глины
Рис. 122. Пика и лопатки
При возвратно-поступательном движении поршня-бойка, наносящего удары по хвостовику рабочего инет* румента, происходит разрушение породы. Рабочим инструментом пневматической лопаты является лопатка, ширину которой принимают большей для вязких и меньшей для хрупких пород. В отбойном молотке рабочим инструментом служит пика (рис. 122). В твердых породах применяют короткие пики с пирамидальным заострением, в вязких — длинные пики с клиновым заострением.
При выборе отбойного молотка необходимо иметь в виду, что его коэффициент полезного действия и производительность работы возрастают с увеличением массы молотка н давления сжатого воздуха (примерно в 3 раза при увеличении давления от 3 до 5,5 кгс/см2), а также с уменьшением массы пики.
К достоинствам пневматических молотков относят-
ся их малая стоимость, простота конструкции, безопасность в обращении и частичная вентиляция выработки отработавшим воздухом. Наряду с этим пневматические инструменты обладают и серьезными недостатками. Их применение требует устройства компрессорной со значитель-
ным резервом производительности и давления, так как потери в сети велики, а коэффициент полезного действия низок (менее 0,15).
Работа пневматических инструментов связана с сильным шумом, вибрацией и пылеобразованием.
Были сделаны попытки создать электрические отбойные молотки, не обладающие недостатками пневматических инструментов. Созданные молотки пока имеют большую массу (до 12 кг) и сильно нагреваются при работе. Поэтому необходимо иметь два комплекта электрических отбойных молотков. Кроме того, их применение в сырой выработке создает опасность поражения электрическим током. Поэтому на подземных работах наиболее распространены пневматические молотки.
§ 50. КОМПРЕССОРНЫЕ УСТАНОВКИ
Для обеспечения подземных работ сжатым воздухом у каждого входа в выработку (порталы, боковые штольни, стволы шахт) устраивают компрессорные станции (рис. 123). Иногда сооружают центральные компрессорные, обслуживающие несколько участков работ.
Стационарные компрессоры поршневого типа — одноступенчатые и двухступенчатые — имеют производительность от 10 до 200 м8/мин.
При строительстве коротких тоннелей можно применять малогабаритные передвижные компрессоры с воздушным охлаждением производительностью до 10 м8/мин, располагаемые
в сеть
Рис. 123. Схема компрессорной
на поверхности в непосредственной близости от входа в выработку.
Атмосферный воздух объемом VK м8 проходит через фильтр и поступает в компрессор, где подвергается Сжатию до требуемого давления рк с выделением значительного количества тепла. Для охлаж-
дения компрессоров, как правило, используют воду, расход которой составляет 5—7 л на 1 м3 сжимаемого воздуха.
Производительность компрессорной, измеряемая количеством всасываемого воздуха в м3/мин, приведенного к нормальным условиям (давлению 760 мм рт. ст. и температуре 0°С), определяют по наибольшей потребности в сжатом воздухе за время строительства:
VK = /s1A22/7ifQife3fe4, (129)
где kt— коэффициент потерь воздуха в сети, равный 1,1—1,2;
А2 — коэффициент увеличения расхода воздуха в связи с его разрежением в зависимости от высоты Н км места работ над уровнем моря; k2 = 1 4- 0,12//;
mi — число однотипных инструментов и машин с расходом сжатого воздуха по qt м’/мин; •
k3 — коэффициент одновременности работы пневматических устройств, принимаемый в зависимости от их числа (при числе бурильных молотков от 1 до 25 принимают ks = 1 4- 0,55);
ki— коэффициент износа инструментов, равный 1,1—1,2.
Для выравнивания колебаний давления сжатого воздуха в сети, улавливания содержащихся в нем пыли, воды и масла, в начале воздухопровода оборудуют воздухосборник (ресивер) емкостью ие менее 1м3 у стационарных компрессоров и 0,25)/ Vk м3 у передвижных компрессоров. Воздухосборники располагают вне помещения компрессорной и снабжают предохранительными клапанами и ограждениями.
Сжатый воздух поступает к забоям по стальным трубам диаметром 100— 300 мм, соединенным электросваркой или на фланцах с резиновыми прокладками и уложенным с продольным уклоном не менее 0,3—0,5% в направлении движения сжатого воздуха для обеспечения стока конденсирующейся воды к водоотделителям, располагаемым через каждые 500—600 м. Диаметры труб назначают в соответствии с расходом воздуха, в связи с чем при наличии ответвлений уменьшают их по мере удаления от компрессорной. К забою воздух подводят по стальным газовым трубам диаметром 32—50 мм. Для присоединения резиновых шлангов от пневматических инструментов (диаметром 22—25 мм и длиной 10—15 м) в забое устанавливают воздухораспределитель с патрубками, кранами и манометром для контроля давления сжатого воздуха у инструментов.
Потери давления на самой длинной линии воздухопровода не должны превышать 10—15%. Этого достигают соответствующим подбором диаметров труб и их плотным стыкованием.
Тип и число компрессоров подбирают в зависимости от расхода и необходимого давления сжатого воздуха у забоя с обеспечением резерва производительности установки не менее 50%.
§ 51. ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ
Основные положения. Наиболее эффективным способом разработки скальных и полускальных пород является их взрывание. Взрывной способ дешев, применим в породах различной крепости и обеспечивает высокие скорости проходки.
Для размещения зарядов ВВ при взрывном способе бурят шпуры, поэтому, говоря о нем, обычно употребляют термин «буровзрывные работы».
Все буровзрывные работы производят в соответствии с Едиными правилами безопасности при взрывных работах.
Цикл буровзрывных, работ представляет собой ряд последовательных операций, производимых для разрушения забоя на некоторую глубину, называемую глубиной заходки. В состав цикла входят основные работы (установка бурового инструмента, бурение, заря-135
жание и взрывание шпуров, проветривание забоя после взрыва, оборка контура и забоя выработки, уборка взорванной породы и в случае необходимости установка временной крепи) и вспомогательные работы (наращивание путей, кабелей и трубопроводов, водоотлив и операции по разбивке оси и сечений выработки). Вспомогательные работы ведут одновременно с основными, их производство не влияет на продолжительность цикла.
Шпур, т. е. скважину диаметром менее 100 мм, в которую помещают заряд ВВ, располагают перпендикулярно или под углом к плоскости забоя, являющейся поверхностью обнажения. Разрушение породы происходит наиболее эффективно при действии взрыва в направлении кратчайшего расстояния от центра заряда до поверхности обнажения, называемого линией наименьшего сопротивления (ЛНС). Ось перпендикулярного к поверхности обнажения шпура совпадает с ЛНС, и эффект взрыва, образующего узкую конусообразную воронку^ невелик. Поэтому обычно шпуры бурят под острым углом к поверхности обнажения, что уменьшает длину ЛНС и повышает эффект взрыва.
В результате взрыва заряда стенки шпура разрушаются не по всей его длине. Донная часть шпура (так называемый «стакан») подвергается лишь некоторому расширению, и часть шпура оказывается неиспользованной. Отношение длины W использованной части шпура к его полной длине /к называют коэффициентом использования шпура и определяют по формуле
Ч = (130)
*к
В горизонтальных выработках т] обычно составляет 0,8—0,9.
Взрываемая порода зажата окружающим горным массивом, поэтому целесообразно образовывать дополнительные поверхности обнажения, освобож-
дающие породу от зажима и облегчающие условия ее взрывания. Для этого в первую очередь взрывают более глубокие врубовые шпуры 1, имеющие большие заряды, создавая в забое врубовую воронку 2 (рис. 124). Остальные шпуры (отбойные) работают при взрыве с уменьшенной ЛНС и разрушают породу более эффективно. Отбойные шпуры делят на вспомогательные 3 и контурные 4. В результате взрывания комплекта шпуров, забуренных на его глубину /к, забой продвигается на глубину заходки W.
Виды врубов. В практике проведения буровзрывных работ выработано большое число типов врубов, соответствующих разнообразным условиям подземных выработок (рис. 125). Эти врубы могут
Рис. 124. Основные виды шпуров
быть разделены на следующие основные группы.
Односторонние врубы из наклонных шпуров, оконтуривающие врубовую воронку с одной стороны, применяют в породах с явно выраженной слоистостью или трещиноватостью. Взрывание врубовых шпуров, располагаемых поперек разделенных трещинами слоев или пластов, вызывает их перебивание. В зависимости от расположения пластов породы используют верхний, нижний или боковой вруб.
Врубы из сходящихся шпуров оконтури-вают врубовую воронку с двух и более сторон. Вертикальный и горизонтальный клиновые врубы пригодны почти во всех породах. Частным случаем вертикального клинового вруба является весьма распространенный центральный клиновый вруб. Пирамидальный вруб, дающий наибольший эффект, применяют преимущественно в породах высокой крепости и при проходе вертикальных стволов.
Верхний.
Односторонние Врубы
Врубы из сходящихся шпуров
Пирамидальный
Вертикальный
Клиновые
Центральный Горизонтальный
Прямые Врубы
Призматический Щелевой. Спиральный
о незаряженный шпур
Рис. 125. Виды врубов
Врубы из сходящихся шпуров обеспечивают хороший выброс породы из врубовой воронки и эффективное использование отбойных шпуров. Их недостатком является большой разброс взорванной породы, что часто нарушает устойчивость крепи и снижает производительность механизированной погрузки. Кроме того, глубина заходки при врубах из сходящихся шпуров ограничена возможностью бурения наклонных шпуров в выработках небольших размеров (особенно в крепких породах, угол вруба а в которых достигает 60—70°).
Прямые врубы из шпуров, параллельных оси выработки, лишены этого недостатка и не ограничивают глубины заходки. Роль дополнительной поверхности обнажения для врубовых шпуров в этом случае играют незаряженные шпуры. В результате взрыва разрушаются перегородки между шпурами и образуется воронка в виде призмы (призматический вруб) или щели (щелевой вруб). Все шпуры призматического вруба (4—8 шт.) взрывают одновременно; при щелевом врубе взрывание шпуров выполняют в последовательности, указанной на рис. 125. При спиральном врубе очередность взрывания шпуров обеспечивает последовательное расширение вруба.
Вместо холостых шпуров с успехом могут быть применены опережающие скважины диаметром 100 мм и более, образующие большую поверхность обнажения и способствующие повышению коэффициента использования врубовых шпуров и увеличению глубины заходки. Повышение коэффициента использования шпура может быть достигнуто также короткозамедленным взрыванием врубовых шпуров (см. стр. 145).
Прямые врубы независимо от сечения выработки обеспечивают возможность получения заходки необходимой глубины и требуемую кучность взорван
ной породы. К их недостаткам можно отнести некоторое повышение расхода ВВ и необходимость бурения дополнительных холостых шпуров или скважины.
Тип вруба выбирают с учетом удобства бурения врубовых шпуров. В горизонтальных выработках наиболее удобны для бурения горизонтальные шпуры; в ^вертикальных стволах шахт — шпуры, буримые сверху вниз; в вертикальных ходках — шпуры, буримые снизу вверх с помощью телескопных перфораторов. Поэтому в горизонтальных выработках рекомендуется применение вертикального и центрального клинового врубов, дающих хорошие результаты при разном направлении слоистости; в вертикальных стволах — пирамидальный вруб и в вертикальных ходках, обуриваемых снизу, — призматический вруб. Если применение клинового вруба ограничивает глубину заходки, целесообразен переход к прямым врубам, особенно к призматическому. В выработках большого сечения прямые врубы не имеют существенных преимуществ по сравнению с клиновыми врубами. В крепких породах клиновые врубы могут быть усилены. Ниже приведены некоторые схемы усиления с указанием очередности взрывания Врубовых шпуров (рис. 126).
Можно образовать неглубокую врубовую воронку шпурами, забуренными под углом вруба, соответствующим породе данной крепости (рис. 126, а). Основные врубовые шпуры^бурят под меньшим углом, что позволяет получить более глубокую врубовую воронку.
С помощью коротких горизонтальных или наклонных шпуров можно создать вертикальную^щель (рис. 126, б и в), облегчающую взрывание основных врубовых шпуров.
Размещение в середине клинового вруба незаряженной скважины диаметром 100 мм (рис. 126, г) образует для врубовых шпуров дополнительную поверхность обнажения. Одновременно скважина используется для уточнения геологических условий.
При глубоких заходках (3 м и более), особенно в крепких породах, целесообразен так называемый плужный вруб из наклонных шпуров, сходящихся в точки, расположенные у стен выработки (рис. 127). Последовательное взрывание шпуров вруба в направлении от середины к стенам выработки образует в забое расположенную горизонтально воронку, в которую отбивается порода отбойными шпурами. Удобство бурения шпуров такого вруба обеспечивается применением так называемых «лестничных» приспособлений (см. стр. 155).
Расположение шпуров. Расположение шпуров в забое (рис. 128) должно обеспечить намеченную глубину заходки с максимальным использованием длины шпуров, правильное оконтуривание выработки, а также достаточную
Рис. 126. Усиленные клиновые врубы
Рис. 127. Плужный вруб
Рис. 128. Расположение шпуров:
/ — отбойные шпуры; П — контурные шпуры; III — врубовые шпуры
кучность отброса и необходимую для производительной работы погрузочной машины кусковатость породы. Наряду с этим нужно обеспечить сохранение от повреждений горных пород вокруг выработки и прежде"всего в ее кровле.
В практике подземных работ наиболее распространен*центральный клиновой вруб (табл. 18).
Таблица 18
Основные параметры центрального клинового вруба
Наименование параметра Значение параметра для пород с коэффициентом f крепости
3-6 6-8 8-10 10 — 15 15—20
Число шпуров вруба 4—6 4—6 6-8 6-8 6—8
Угол а вруба, град Расстояние между парами 40 44 50 54 60
шпуров, см 50 45 40 35 30
Отбойные шпуры разрушают основную массу породы, когда имеется воронка, образованная взрывом врубовых шпуров III (см. рис. 128). Они делятся на вспомогательные I и контурные II. Первые служат для расширения вруба, вторые — для обеспечения правильного проектного очертания выработки. Шпуры размещают так, чтобы на каждый шпур приходился примерно одинаковый объем взрываемой породы. Концы всех шпуров должны находиться в одной плоскости, перпендикулярной оси выработки. При этом концы контурных шпуров располагают на проектном контуре выработки. Длину отбойных шпуров назначают больше намеченной глубины заходки с учетом коэффициента использования шпура. Контурные шпуры располагают под углом 80—85° к плоскости забоя, чем и определяется удаление их отверстий от контура выработки.
Для обеспечения правильной формы сечения выработки, сокращения переборов породы и перерасхода бетона при их заполнении желательно уменьшать расстояние между контурными шпурами и количество ВВ в каждом из них, точнее их располагать и бурить, а также рассредоточивать заряд ВВ по длине 139
шпура. Оптимальное расстояние между контурными шпурами определяется в процессе проходки выработки. Наиболее целесообразно в выработках полного сечения, закрепляемых постоянной обделкой, применять методы, обеспечивающие «гладкое» взрывание (см. стр. 146). Расстояния между остальными шпурами следует назначать таким образом, чтобы крупность взорванной породы была равномерной и соответствовала оптимальным условиям работы тоннельных породопогрузочных машин.
Врубовые шпуры забуривают примерно на 10% глубже отбойных с тем, чтобы получающаяся врубовая вороика имела глубину, не меньшую глубины забуривания отбойных шпуров, что способствует увеличению коэффициента их использования. При выборе расположения шпуров учитывают особенности имеющегося оборудования и создают условия для его наиболее удобного применения.
Взрывая часть сечения выработки при наличии двух плоскостей обнажения, шпуры располагают в шахматном порядке рядами, параллельными одной из плоскостей (не ближе 50 см от нее), с расстоянием между шпурами и рядами шпуров, равным 0,3 — 0,5 их глубины. Врубовые шпуры в этом случае отсутствуют, а коэффициент использования шпуров принимают равным 0,95—1,0.
Намеченное расположение шпуров уточняют в процессе ведения взрывных работ.
Взрывчатые вещества. Выбор вида ВВ и определение его количества, необходимого для взрывания на глубину заходки, обусловливаются крепостью породы, влажностью выработки, глубиной заходки, требуемой крупностью кусков и экономическими соображениями.
Наибольшим распространением при проходке подземных выработок пользуются аммониты, которые представляют собой широкий класс ВВ, получающихся при механическом смешении аммиачной селитры с нитропроизводными. Они дешевы и безопасны в обращении, но имеют сравнительно небольшую плотность, гигроскопичны и склонны к слеживанию. Эти недостатки преодолеваются выпуском специальных ВВ улучшенного качества повышенной водостойкости (например, динафталит № 1ЖВ, аммонит № 6ЖВ) и плотности (например, аммонит №6 прессованный). Применение прессованного аммонита № 6, обладающего высокой плотностью и бризантностью, повышает коэффициент использования шпура, обеспечивает лучшее дробление породы и примерно на 20% уменьшает расходы на бурение, так как большая плотность ВВ позволяет сократить число необходимых для его размещения шпуров. Особенно эффективным видом аммонита является скальный аммонит № 1, обладающий высокой работоспособностью и бризантностью и в прессованном состоянии имеющий плотность, достигающую 1,5 г/смэ. Применение скального аммонита обеспечивает мелкое равномерное дробление породы и повышение коэффициента использования шпура с соответствующим уменьшением расхода ВВ и объема буровых работ. Особенно целесообразно применять скальный аммонит № 1 в крепких породах и при комбинированном заряжании (врубовые шпуры, донные заряды отбойных и контурных шпуров и т. д.). Скальные аммониты № 1 и 1ЖВ водоустойчивы.
К наиболее сильным ВВ относится трудно замерзающий 62-процентный динамит, обладающий большой плотностью, высокой бризантностью и работоспособностью и хорошо взрывающийся в воде. Особенно ценным свойством динамита является его пластичность, позволяющая добиться плотного заполнения шпура патроном, раздающимся в стороны под нажимом забойника. К недостаткам динамита относятся малая химическая стойкость и чувствительность к механическим и тепловым воздействиям, требующая повышенной осторожности и ограничивающая его применение в подземном строительстве. Целесообразно применять при проходке выработок взрывным способом детониты — аммониты с содержанием до 15% нитроглицерина, являющиеся более работоспособными, чем аммониты, водоустойчивыми и лишенными отрицательных свойств, присущих динамитам. 140
В выработках, опасных по газу и пыли, применяют специальные предохранительные ВВ, обеспечивающие невозможность вовлечения во взрыв атмосферы выработки (например, водоустойчивый аммонит ПЖВ-20).
Основные данные по наиболее употребительным в подземном строительстве ВВ приведены в табл. 19.
Таблица 19
Характеристики ВВ
Вид ВВ Плотность ВВ п патронах р, г/см3 Диаметр патрона* dn, “м Длина патрона массой 200 г, 'п, м Коэффицн-еит с относительного расхода ВВ
Аммонит № 1 скальный прессованный 1,-15—1,5 36 0,135 1.00
Детоп ит 6-Л 1,0-1,1 32 0,250 1,07
Аммониты № 6 и № 6ЖВ порошкообразные 1,0—1,1 32 0,250 1,18
Аммонит № 6 прессованный .... 1,25—1,35 34 0,170 1,18
* В таблице приведены наиболее распространенные значения диаметров патронов, ассортимент которых более широк. По специальным заказам промышленность выпускает патроны разных диаметров, е том числе патроны малых диаметров (24—25 мм), применяемые при гладком взрывании (см. стр. 146).
Количество шпуров. Количество шпуров, необходимых для продвижения забоя на глубину заходки W, зависит в первую очередь от таких факторов, как свойства породы, площадь забоя, свойства заряда и число плоскостей, ограничивающих забой. Наиболее простым и распространенным на практике является способ определения количества шпуров, при котором находят массу ВВ, необходимую для разрушения породы в требуемом объеме, соответствующем глубине заходки, а затем — число шпуров, необходимое для размещения получающегося общего заряда.
Количество ВВ, обеспечивающее разрушение 1 м3 обуренной породы, называют удельным расходом. Величина удельного расхода (q0 кг/м®) зависит от трещиноватости и коэффициента крепости породы, площади сечения выработки, рода ВВ, длины и диаметра заряда, а также способа заряжания.
Для выработок сечением более 20 м® в породах с коэффициентом крепости / 16 удельный расход ВВ1 может быть определен по формуле ЦНИИСа
Минтрансстроя, обобщающей данные практики тоннелестроения
90= [0,3 + -4=г) сЛефну, (131)
\ V в /
где S — площадь сечения выработки, м2;
с — коэффициент, учитывающий влияние диаметра заряда и равный для патронов диаметром 32, 36, 40, 42 и 45 мм соответственно 1,1;
1,0; 0,95; 0,92 и 0,90;
k — коэффициент, учитывающий влияние глубины шпура; k = 1 для шпуров глубиной /н, равной 1,5, 2; 2,5 и 3 м в породах с коэффициентами крепости f, равными соответственно 10—16, 8—10, 4—8 и 4. Для шпуров другой глубины этот коэффициент может быть определен из выражения й = 1 + 0,1|/ — /н;, где 11 — /н| — абсолютное значение разности глубин;
е — коэффициент относительного расхода ВВ (см. табл. 19);
ф — коэффициент плотности заряжания, принимаемый при пневматическом заряжании порошкообразным ВВ равным 1 н при заряжании обычными патронами ВВ — равным 1,1;
w — коэффициент, учитывающий трещиноватость и характер напластования пород (табл. 20).
1 Для выработок меньшего сечения удельный расход ВВ может быть определен
по таблице, помещенной в СНиП Ш-Б.9-62.
Коэффициенты w
Таблица 20
Горногеологическая характеристика пород в забое (0
Монолитные изверженные породы Нетрещиноватые породы: пласты, перпендикулярные оси тоннеля пласты, параллельные оси тоннеля Слабо трещиноватые породы Трещиноватые породы Сильно трещиноватые породы 1,10—1,15 1,0 0,95 0,90 0,85—0,90 0,75—0,85
При двух открытых поверхностях забоя значение удельного расхода ВВ, полученное по формуле (131), умножают на 0,6.
Расход ВВ на разрушение породы отбойными шпурамн
Qo = ?o(^ Звр)/«• (132)
где S — площадь поперечного сечения выработки, м2;
SBp — площадь врубовой воронки, м2;
/к — глубина комплекта отбойных шпуров, м.
Полученное количество ВВ должно быть размещено в шпурах таким образом, чтобы не меиее 20% длины шпура было занято инертной массой — забойкой. Коэффициент ka заполнения шпура зарядом принимают в зависимости от крепости породы по табл. 21.
Таблица 21
Коэффициент k3 заполнения шпура зарядом
Коэффициент f крепости породы 1—1,5 2-3 4-6 7-9 10—14 15—20
Значения k3 . . . 0,3—0,5 0,5-0,6 0,55—0,65 0,65—0,70 0,70—0,75 0,75—0,80
Число отбойных шпуров, нужное для размещения количества ВВ, равного Qo, определяют по формуле
д/ Qo ______ 9 о Sbp) (133)
IkQi 41
где <?! — масса ВВ, приходящегося на 1 пог. м шпура, с учетом степени его заполнения, кг;
91 = 0,001 £3рУ, (134)
где р — плотность ВВ в патронах, г/см3 (см. табл. 19);
V — объем 1 пог. м цилиндрического колонкового заряда, см3/м.
При количестве ВВ в каждом патроне по 0,2 кг и длине патронов /п м
91 = 0^,ф (135)
Непредохранительные ВВ выпускают в патронах массой 200 и 300 г. Поэтому заряд составляют из патронов с точностью до 100 г. В связи с этим значение <?! подлежит уточнению после определения глубины комплекта шпуров и, следовательно, длины заряда.
Масса заряда отбойного шпура
Массу заряда врубового шпура, работающего в условиях большого зажима породы, принимают на 15—20% больше.
Глубина шпуров. Одним из решающих факторов, определяющих трудоемкость и скорость проведения выработок, является глубина шпуров. С ее увеличением уменьшаются потери времени на перестановку бурового оборудования (особенно тяжелого), сокращаются задержки, связанные с заряжанием, взрыванием и проветриванием забоя, и улучшаются условия использования погрузочных машин, которые грузят большой объем породы с одного подхода к забою. Одновременно вследствие увеличения диаметра шпуров возрастает объем выбуриваемой породы и уменьшается скорость бурения в единицу чистого времени. Это, однако, не уменьшает эффективности глубоких шпуров благодаря применению более производительных тяжелых бурильных машин, повышенному давлению сжатого воздуха, армированию буров твердыми сплавами и использованию при промывке шпуров понизителей твердости горных пород.
Вопрос о глубине шпуров нужно решать с учетом устойчивости кровли выработки, обнажаемой на глубину увеличенной заходки, а также степени механизации буровых и погрузочных работ, добиваясь максимального сокращения времени на проходку 1 пог. м выработки. Практика показывает, что при механизированной погрузке и применении легких бурильных машин целесообразно бурить шпуры глубиной 2,5—3 м, при применении тяжелых бурильных машин — глубиной 3 — 4 м.
Если выработки имеют большое сечение, следует применять глубокие шпуры. Однако при этом следует иметь в виду, что бурение глубоких контурных шпуров связано с возможностью отклонения их от заданного направления и, следовательно, с ухудшением условий «гладкого» взрывания.
Наиболее целесообразно назначать глубину шпуров таким образом, чтобы все работы проходческого цикла, обеспечивающие продвижение забоя на глубину заходки, выполнялись с учетом технических возможностей оборудования в одну—три смены. Для этого составляют циклограмму (см. стр. 236), обосновывающую скорость продвижения забоя в соответствии с действующими нормами.
В выработках, проходимых с опережением верхней части, глубину шпуров принимают в соответствии с организационной схемой проходки. При небольшом опережении работы в опережающем и отстающем забоях чередуются с совмещением бурения в передовом забое и уборки породы. При большем опережении работы в каждом забое организуют независимо одну от другой, они увязываются между собой лишь одновременным проведением заряжания, взрывания и проветривания.
Глубину шпуров в отстающем забое, взрываемом при двух плоскостях обнажения, принимают равной или в 2 раза большей глубины шпуров в передовом забое.
Средства взрывания и заряжания шпуров. В практике проходки тоннельных выработок наиболее распространено электрическое взрывание с применением электродетонаторов (ЭД). Электродетонатор представляет собой латунную гильзу, заполненную инициирующим веществом с большой скоростью детонации (гремучая ртуть, тетрил и т. п.) и содержащую мостик из константана или нихрома, обеспечивающий воспламенение окружающего его состава при прохождении гарантийного тока, соответствующего требованиям Единых правил безопасности при взрывных работах.
Кроме мгновенно взрывающихся детонаторов ЭД, имеются электродетонаторы замедленного действия ЭД-ЗД с замедлениями 0,5; 0,75; 1; 1,5; 2; 4; 6; 8 и Юс, в которых между воспламенительной головкой и инициирующим веществом находится столбик замедляющего состава, обеспечивающего необходимое время замедления.
При короткозамедленном взрывании применяют электродетонаторы ЭД-КЗ с интервалами замедления, выражающимися в миллисекундах (например, 25, 50, 75, 100, 150 и 250 мс).
Главная особенность электродетонаторов ЭД-ЗД и ЭД-КЗ заключается в том, что горение содержащегося в них пиротехнического состава, обеспечивающего заданное время замедления, не зависит от состояния взрывной цепи после момента воспламенения. Это гарантирует исключение отказов вследствие обрыва проводов после взрыва первых зарядов.
Перед заряжанием шпуры очищают от буровой муки для размещения заряда в их наиболее глубокой части.
Заряд, состоящий из нескольких патронов ВВ, один из которых со вставленным в него электродетонатором является патроном-боевиком, вводят в шпур. Устье шпура заполняют забойкой из смеси крупного песка с жирной глиной (1 : 3) при влажности 18—20%. Иногда забойку делают из сухого песка, вдуваемого в шпур сжатым воздухом с помощью пневмозабойника (например, конструкции ВНИИОМШС). Это сокращает время заряжания на 40—50% и увеличивает коэффициент использования шпура, но насыщает пылью воздух выработки.
Патрон-боевик изготовляют в забое перед заряжанием; в образованное в патроне отверстие вводят электродетонатор с проводниками, закрепляемый шпагатом. При отсутствии влаги с торцов патронов срывают оболочку, а боковые ее поверхности надрезают ножом по спирали, чтобы можно было деревянным или пластмассовым забойником расплющить патроны в шпуре (кроме боевика) и обеспечить их плотное соприкасание со стенками шпура.
Плотное заряжание является условием эффективности взрывания, так как наличие зазора между зарядом и стенками шпура вызывает резкое уменьшение начального давления газов взрывания. Это условие особенно важно при применении прессованных аммонитов, повышенное дробящее действие которых может быть использовано лишь в том случае, если разница диаметров патрона и шпура не превосходит 10—15% диаметра патрона. В этом случае, однако, расплющивание патронов, являющихся жесткими, невозможно и требуемый результат может быть достигнут только соблюдением необходимого диаметра шпура при бурении.
В крепких породах, обладающих большой абразивностью, шпур имеет коническую форму вследствие уменьшения диаметра бурового инструмента при бурении. Поэтому зазор между стенками шпура и патроном увеличивается по мере удаления от дна шпура. В этом случае целесообразно применять пластичные ВВ (динамиты), допускающие расплющивание забойником с заполнением всего сечения шпура.
Во влажных условиях место ввода детонатора в патрон изолируют лентой или мастикой, а оболочку сохраняют и в случае необходимости покрывают тонким слоем тавота или солидола.
Патрон-боевик 2 обычно ставят первым от устья шпура (рис. 129). В этом случае более безопасно уплотнение большей части заряда, состоящей из инертных патронов 1. В случае необходимости (например, при гладком взрывании контурных шпуров) допускается помещать патрон-боевик у дна шпура.
В случае выработок большого сечения, к которым относятся транспортные тоннели, работы по заряжанию шпуров выполняют с площадок буровых рам или подмостей. Если забой обуривают с помощью самоходной установки (например, СБУ-4) и буровые подмости отсутствуют, для заряжания шпуров используют специальную монтажную машину на гусеничном ходу с шарнирной стрелой (МШТС).
С рабочей площадки такой машины-гидроподъемника можно производить разнообразные операции: заряжание шпуров, оборку кровли и стен выработки и установку анкерной и арочной крепи.
Рис. 129. Конструкция заряда отбойного шпура:
1 — патроны ВВ; 8 — патрон-боевик: 3 — забойна; 4 — провода с электродетонатором
Наиболее удобен гидроподъемник МШТС-2ТП, смонтированный на тракторе и состоящий из ходовой части, поворотной платформы и шарнирной стрелы из двух звеньев, при любом наклоне поддерживающей рабочую площадку в горизонтальном положении. Рабочая площадка обеспечивает возможность одновременной работы четырех рабочих с обслуживанием забоя и кровли до высоты 12—13 м. Габаритные размеры машины в транспортном положении 7,2 х 2,4 х 3,65 (высота) м. Масса машины 16,65 т.
Взрывание шпуров. Электрическое взрывание применимо при проходке выработок любого размера (в том числе вертикальных и наклонных) и единственно допустимо в выработках, опасных по газу и пыли.
Перед взрыванием в забое монтируют электровзрывную цепь, состоящую из электродетонаторов, соединительных и магистральных проводов. Источниками тока служат взрывные машинки или электросеть переменного тока напряжением 127/380 В. При пользовании взрывными машинками электродетонаторы соединяют последовательно. При взрывании от сети соединение может быть последовательным, параллельным или смешанным. В последнем случае, применяемом, когда две первые схемы не обеспечивают необходимой силы тока, проходящего через детонатор, детонаторы с одной степенью замедления соединяют последовательно в группу, а отдельные группы присоединяют параллельно к магистральным проводам. Смонтированную цепь перед взрыванием проверяют на сопротивление, которое должно быть равно расчетному (±10%), и на токопроводимость.
При электрическом взрывании обеспечивается безопасность условий труда, так как включение тока производится из укрытия, однако оно сложнее, чем огневое, и требует назначения в помощь взрывнику электрика. При наличии в забое высокого потенциала блуждающих токов рекомендуется переходить на электроогневое взрывание, при котором электрический импульс с помощью электрозажигательных патрончиков воспламеняет группы огнепроводных шпуров, заканчивающихся капсюлями-детонаторами в патронах-боевиках.
Современным направлением взрывной техники является применение короткозамедленного взрывания с интервалами между взрывами 10—100 мс. Такая частота взрывания обеспечивается электродетонаторами короткозамедленного действия (ЭД-КЗ). Как показали исследования, уменьшение интервалов между взрывами (при обычном замедленном взрывании превышающих 0,25 с) приводит к улучшенному дроблению породы. Поэтому при сохранении величины заряда увеличивается эффект взрыва и, следовательно, возможно увеличение расстояния между рядами шпуров.
Очередной взрыв происходит в то время, когда порода еще находится в напряженном состоянии, вызванном предыдущими взрывами, и напряженные состояния последовательных взрывов складываются в условиях наличия дополнительных поверхностей обнажения.
Соударение кусков породы, оторванных последовательными взрывами и имеющих большую начальную скорость (до 40 м/с), обеспечивает дополнительное улучшение дробления породы. Одновременно уменьшаются сотрясение и растрескивание окружающего горного массива и разброс оторванной породы.
При применении короткозамедленного взрывания коэффициент использования шпуров увеличивается на 15—20% при одновременном уменьшении количества шпуров примерно на 20% и величины удельного расхода ВВ на 15%.
Максимальная эффективность взрывания обеспечивается правильным подбором интервала замедления в соответствии с конкретными условиями забоя. Для уменьшения разброса породы и предотвращения повреждения крепи целесообразно принимать интервал между взрывами врубовых и первой группы отбойных шпуров до 50 мс, чтобы порода успела сдвинуться из врубовой воронки, а интервал между взрывами групп отбойных шпуров — 10—25 мс.
Процесс заряжания и монтажа взрывной цепи при короткозамедленном взрывании не отличается от принятого при электровзрывании.
Рис. 130. Конструкция заряда контурного шпура при гладком взрывании
Гладкое взрывание. Для совершенствования способов проходки подземных выработок в скальных породах огромное значение имеет сокращение переборов за пределами проектного контура, достигающих в зависимости от геологических условий и сечения выработки 8—20% его площади.
Переборы искажают форму выработки, увеличивают объемы работ по погрузке и транспорту и значительно (на 50—80%) повышают расход бетона в связи с необходимостью заполнения пространства за проектным контуром выработки.
Приближение контура выработки к проектному может быть достигнуто с помощью так называемого гладкого или контурного взрывания, которое позволяет сократить переборы до 5—10 см, уменьшить расход бетона на их заполнение в 1,5—2 раза и погрузочно-транспортные расходы, а также снизить общую стоимость сооружения тоннеля на 20—40%, несмотря на некоторое повышение стоимости буровзрывных работ.
Кроме того, обеспечение правильной формы выработки повышает ее устойчивость и создает благоприятные условия для применения современных видов временной крепи (анкерная, арочная, набрызг-бетон) и сборных железобетонных обделок, которые в этом случае смогут конкурировать с монолитными бетонными.
Условиями гладкого взрывания являются: расположение контурных шпуров в непосредственной близости к проектной поверхности выработки; уменьшение дробящего действия их зарядов за счет применения ВВ с минимальной бризантностью (например, серный аммонит № 1, аммониты ПЖВ-20 и №8); бурение контурных шпуров коронками, диаметр которых существенно превышает диаметр патронов ВВ (например, 42 и 32 мм); рассредоточение зарядов контурных шпуров по их длине за счет устройства между патронами ВВ воздушных промежутков.
Наличие воздушных промежутков по длине заряда, а также между патронами и стенками шпура тормозит действие взрыва контурных шпуров, направляя его не на разрушение окружающего массива, а в основном по линии наименьшего сопротивления в сторону выработки, особенно если при взрыве применяют детонаторы короткозамедленного действия.
Гладкое взрывание осуществляют методом сближенных зарядов или методом предварительного откола. В первом случае контурные шпуры, удовлетворяющие перечисленным выше требованиям, располагают по контуру выработки с шагом 40—90 см в зависимости от крепости пород и взрывают в последнюю очередь или перед взрыванием подошвенных шпуров. Во втором случае контурные шпуры располагают более часто — через 30—60 см — и взрывают одновременно с врубом. В результате их взрыва по контуру образуется сплошная щель, отражающая ударную волну от взрыва отбойных шпуров. При этом получается правильный контур выработки даже в слабых и сильно трещиноватых породах.
Рис. 131. Схема гладкого взры-ванвя методом сближенных за-
Эффективность гладкого взрывания зависит от точности бурения контурных шпуров. Поэтому рекомендуется применять шпуры глубиной до 2,5 м, так как иначе возрастает их возможное отклонение при бурении. Расстояние от устья контурного шпура до проектного очертания выработки, зависящее от технических возможностей бурения, должно быть как можно меньше и не более 10 см. Направление шпуров должно приближаться к параллельному оси выработки с расположением донной части шпуров на проектном контуре.
Конструкция заряда такого контурного шпура изображена на рис. 130, а. В донной части шпура размещаются два патрона повышенной бризантности (например, скальный аммонит № 1), один из которых является боевиком 1. Таким образом обеспечивается повышение коэффициента использования шпура, хотя существует и другая точка зрения, что более целесообразно избегать применения высокобризантных В В по всей глубине контурных
Рис. 132. Элементы паспорта буровзрывных работ при гладком взрывании
шпуров. Остальные патроны 3 пониженной бризантности и иногда уменьшенной массы (до 100 г) отделяются друг от друга деревянными прокладками 2 сечением 15 х 15 мм и длиной а. Устье шпура заполняют забойкой 5.
В слабых породах расход ВВ составляет 0,3—0,5 кг на 1 пог. м шпура и длина а прокладок может достигать 200—300 мм. При таких больших промежутках между патронами для обеспечения устойчивой передачи детонации
от боевика вдоль заряда прокладывают детонирующий шнур 4 (рис. 130, б).
В крепких породах, требующих большего расхода ВВ (0,5—0,7 кг на 1 пог. м шпура), применяют прокладки меньшей длины (до 30—50 мм). При коротких воздушных промежутках детонация от боевика надежно передается вдоль заряда и надобность в детонирующем шнуре отпадает (рнс. 130, в).
Для получения более правильной сводчатой поверхности выработки, особенно в слабых и средней крепости породах, можно рекомендовать заряжать
шпуры через один, оставляя незаряженные шпуры, служащие в качестве дополнительных поверхностей обнажения.
Для взрывания контурных шпуров применяют электродетонаторы с одной степенью замедления.
При применении гладкого взрывания методом сближенных зарядов задаются шагом контурных шпуров ак в зависимости от крепости и трещиноватости породы в пределах от 40 до 90 см и находят расстояние wK от оси шпура
до контура выработки, образованной взрывом отбойных шпуров (рис. 131), по формуле
= (137)
т
где т — коэффициент сближения, назначаемый в соответствии с данными практики и проверяемый опытными взрывами. Предварительно можно принимать для крепких пород т = 0,8 4- 0,9, для слабых, трещиноватых пород т = 1,1 4- 1,3.
Определяют площадь забоя S„, взрываемую контурными шпурами. Так, если контурное взрывание распространяется лишь на свод и стены выработки (см. рис. 131)
S„ = £„(«>„ +0,1), (138)
где LK — длина линии, по которой расположены контурные шпуры.
Остальная часть забоя выработки площадью S — взрывается врубовыми и отбойными шпурами, число и заряд которых определяют в соответствии с указаниями, приведенными на стр. 142.
На рис. 132, а приведен пример расположения шпуров при проходке тоннеля большого сечения в породах VIII категории с применением гладкого взрывания. Клиновой вруб из шести пар шпуров усилен пятью шпурами, образующими в забое вертикальную щель. Шпуры взрывают в шесть очередей (I—VI).
Характерно расположение контурных шпуров 1 относительно проектного контура 2 выработки (рнс. 132, б), исключающее возможность иедоборов в глубинной части шпура.
Заряд (аммонит № 6ЖВ) (рис. 132, в) состоит из патрона-боевика 7 весом 200 г и патронов 6 по 100 г с деревянными прокладками 5 длиной 200 мм, при которой необходимо применение детонирующего шпура 8. Забойка 4 имеет минимальную длину.
§ 52. БУРЕНИЕ ШПУРОВ
Общие сведения. При проведении горизонтальных выработок бурение шпуров занимает 40—45%, а в особо твердых породах —до 75% времени проходческого цикла и наряду с уборкой породы является трудоемким процессом, механизация которого имеет решающее значение для повышения скоростей проходки.
Для бурения применяют бурильные машины ударно-поворотного, вращательного или вращательно-ударного действия.
При ударно-поворотном бурении поршень-боек, совершающий в цилиндре пневматического перфоратора возвратно-поступательное движение, наносит частые удары (до 3000 в минуту) по хвостовику рабочего инструмента—бура, прижимаемого к забою шпура осевым усилием до 200 кгс. При прямом ходе поршня коронка бура внедряется в породу, а при обратном ходе поворачивается на небольшой угол, скалывая породу на части сечения шпура.
Пневматические перфораторы просты, безопасны в обращении, создают на буровую короику значительное удельное усилие, но при обратном ходе не внедряют инструмент в породу, обладают низким к. п. д. и требуют наличия компрессорной установки.
При вращательном бурении разрушение породы производится непрерывно резцом, прижатым к дну шпура. Электросверла имеют высокий к. п. д., обеспечивают значительную производительность бурения и не требуют создания компрессорного хозяйства, но применимы в малоабразивных породах, мягких и средней крепости, так как в менее благоприятных условиях вызывают сильный износ резцов.
При вращательно-ударном бурении разрушение породы производится прижатой к дну шпура коронкой, внедряющейся в породу под действием большого статического осевого усилия (до 1,2 тс) и большого числа ударов (до 4000 в минуту), наносимых пневматическим ударным узлом машины. Машины этого типа весьма производительны в породах средней крепости, но сложны и имеют большую массу.
При ударно-поворотном бурении происходит наименьший износ буровых коронок, непосредственно разрушающих породу, при вращательном бурении — наибольший. Этим определяются границы наиболее рационального применения бурильных машин различных типов в зависимости от величины коэффициента крепости породы: вращательные — в малоабразивных породах при / 8, вращательно-ударные при / = 8 4-16, ударно-поворотные при f —
= 6 4- 20.
Пневматические перфораторы. В зависимости от условий применения (способ установки и подачи, т. е. прижатия бура к дну шпура) пневматические перфораторы делят на ручные, телескопные и колонковые.
Ручные перфораторы, применяемые в средней крепости и крепких породах, поддерживаются в рабочем положении специальными приспособлениями-поддержками и подаются вперед усилием рабочего или давлением сжатого воздуха. Эти перфораторы делят на легкие (масса до 20 кг), средние (до 25 кг) и тяжелые (до 30 кг); они потребляют до 3,5 м3/мин сжатого воздуха.
Телескопные перфораторы составляют одно целое с цилиндрической стойкой, раздвигаемой давлением сжатого воздуха и обеспечивающей, таким образом, подачу вперед. Их применяют для бурения шпуров снизу вверх, при этом стойка перфоратора упирается в пол выработки.
Колонковые перфораторы являются наиболее тяжелыми и применяются в очень крепких породах. Их подача осуществляется перемещением на специальных салазках механическими и пневматическими устройствами (автоподатчиками). Масса колонкового перфоратора (вместе с салазками) достигает 75— 100 кг, а расход сжатого воздуха составляет 3—5 м3/мин.
Производительность бурения находится в зависимости от массы перфоратора и давления сжатого воздуха и возрастает с их увеличением. Поэтому в трудно буримых породах, а также для бурения глубоких шпуров, имеющих увеличенный диаметр, целесообразно применять тяжелые перфораторы, имеющие большую производительность.
Давление воздуха должно быть не менее 6 кгс/см2. Чрезмерное повышение давления сжатого воздуха (до 8 ат) нецелесообразно, так как ведет к усиленному износу бурового оборудования.
Перфоратор выбирают в зависимости от твердости породы, глубины и диаметра шпуров, размеров выработки и способа ее проходки. Ручные перфораторы требуют меньших затрат времени на перестановку и позволяют производить частичное обуривание забоя до полной уборки породы, т. е. совмещение двух важных проходческих операций.
Колонковые перфораторы обладают большей производительностью, чем ручные, и обеспечивают более точное расположение шпуров, что особенно важно при обуривании прямых врубов. Их применение обязательно в очень твердых породах, при бурении глубоких (более 3 м) шпуров и шпуров большого диаметра (более 50 мм). Особенно целесообразны колонковые перфораторы при применении буровых рам и подмостей, облегчающих их перестановку в забое. Бурение колонковыми перфораторами, смонтированными на различных поддерживающих устройствах, требует, как правило, завершения работ по уборке породы, т. е. предварительной очистки забоя.
В последние годы широкое распространение получили ручные высокочастотные перфораторы (дающие до 3500 ударов в минуту), обладающие повышенной производительностью. Увеличение частоты ударов бойка достигается за счет уменьшения хода поршня при одновременном увеличении силы удара вследствие большего диаметра поршня. Применение высокочастотных перфораторов обеспечивает повышение скорости бурения в 2—3 раза при условии создания достаточного усилия подачи. Благодаря небольшой массе (до 25 кг) для их поддержки во время бурения не требуется сложное оборудование и создается возможность их удобного маневренного использования.
Легкие и средние ручные перфораторы обычно применяют в легкобури-мых породах. В труднобуримых породах VIII и более высоких категорий следует применять ручные Высокочастотные тяжелые и колонковые перфораторы.
При подборе бурового оборудования необходимо иметь в виду, что отдача и вибрация бурильных машин вредно влияют на организм человека и в неблагоприятных условиях могут вызвать так называемую вибрационную болезнь. Особенно интенсивно воздействие вибрации при применении высокочастотных перфораторов. Поэтому даже легкие перфораторы этого типа следует обязательно устанавливать на поддержках.
Буры и буровые коронки. Рабочим инструментом, непосредственно разрушающим породу при бурении, служат буры. Бур состоит из буровой штанги, закрепляемой концом-хвостовиком в буродержателе перфоратора, и буровой коронки.
Буровую штангу изготовляют из углеродистой стали шестигранного или круглого сечения диаметром 29—32 мм с внутренним каналом диаметром 8 мм для подачи воды или сжатого воздуха, удаляющих буровую пыль из шпура.
Наиболее экономичными являются съемные буровые коронки, соединяемые со штангой с помощью конуса (угол конуса 3°30') или левой резьбы. Коронка состоит из одного или нескольких долот с углом заострения 110°, расположенных симметрично относительно оси бура и передающихся между собой. Различают коронки однодолотчатые (КД), крестовые (КК), трехперые (КТ) и др. По мере увеличения числа долот удельное нажатие на единицу длины лезвия уменьшается и производительность разрушения породы падает. Одновременно повышается стойкость коронки против износа.
Для повышения износоустойчивости коронок и увеличения производительности бурения съемные коронки изготовляют из легированной стали или армируют пластинками металлокерамических сплавов, процент содержания кобальта в которых соответствует крепости породы (ВК-6В при f = 5 4- 10; ВК-8В при f = 10 ч- 15, ВК-15 при f > 15).
Наиболее производительные однодолотчатые коронки КД применяют в нетрещиноватых породах средней крепости (f = 5 4- 10).
Крестовые коронки КК являются универсальными; нх примененяют в любых трещиноватых породах с армированием коронок, соответствующим их крепости, в монолитных крепких породах (f = 10 4- 15) и в начальной стадии бурения для обеспечения устойчивости бура при забуривании.
Трехперые коронки КТ с опережающим лезвием, армированные сплавом ВК-15, используют в крепких и весьма крепких монолитных породах (f = 15 и более). Буровая коронка с опережающим лезвием состоит из двух коронок разных диаметров, соединенных в одно целое. В этом случае производительность бурения повышается за счет того, что монолитность породы нарушается бурением опережающего шпура малого диаметра, после чего коронка большего диаметра работает при двух поверхностях обнажения с образованием более крупных частиц разрушенной породы, что одновременно способствует уменьшению запыленности забоя.
В слабых нетрещиноватых породах (f ^4) целесообразно применять не-армированные однодолотчатые коронки КД из легированной стали с углом заострения 90°.
Удаление буровой пыли из шпуров. Условием полного использования силы удара бура является своевременное удаление из шпура буровой пыли, образующейся при разрушении породы. Для этой цели применяют продувку шпуров сжатым воздухом или промывку их струей воды через канал в буровой штанге. Продувка вызывает сильное пылеобраэование в забое и наряду с усиленным проветриванием требует применения индивидуальных средств защиты рабочих в виде респираторов или пылеуловителей, перехватывающих воздух, выходящий из шпура, н направляющих его в фильтры для очистки.
В породах, содержащих более 10% двуокиси кремния, несмотря на проведение указанных защитных мероприятий, создается опасность заболевания рабочих силикозом. Поэтому в этих условиях обязательна промывка шпуров водой под давлением 2—3 кгс/см2, подаваемой в количестве 3—5 л/мин соответственно на ручной или колонковый (телескопный) перфоратор. Но даже в этом случае в воздух выработки выдуваются частицы мелкой (мельче 0,001 мм) 150
пыли, плохо смачиваемые водой. Для улучшения их смачиваемости в воду иногда вводят пылесмачивающие добавки, применение которых позволяет уменьшить расход воды на промывку в два раза. Хорошие результаты дает использование воздушно-водяной смеси, подаваемой в промывочный канал в виде плотного тумана. Поступающая с большой скоростью распыленная вода обволакивает частицы буровой пыли. В шпуре скорость потока смеси резко падает, и вследствие коагуляции происходит укрупнение частиц смеси, выносимых из шпура. Расход воды при этом не превышает 1 л/мин.
Водяная промывка способствует ослаблению породы, особенно при на' личин трещин, заполненных глинистым материалом, и повышает производи* тельность бурения на 10—15%. Скорость бурения возрастает, если к воде, применяемой для промывки, добавлять химические вещества, увеличивающие смачивающее действие воды и способствующие более глубокому и быстрому ее проникновению в поры и трещины породы, вызывающему уменьшение ее прочности. В зависимости от свойств пород применяют понизители твердости различного химического состава. Так, в известняках хорошие результаты дает раствор соды, в гранитах — раствор хлористого натрия и т. п. Применение понизителей твердости породы существенно повышает скорость бурения (на 20—60%).
Электрические сверла. В породах с коэффициентом крепости f — 3 4- 4 с успехом применяют бурение электросверлами. Такое бурение является более экономичным, легким и производительным, чем бурение перфораторами, и может быть начато до оборудования на строительной площадке компрессорной установки. При электробурении значительно сокращается пылеобразова-ние (вследствие отсутствия сжатого воздуха) и уменьшается шум, сопутствующий ударно-поворотному бурению.
При строительстве тоннелей наибольшее распространение получили ручные электросверла массой до 25 кг, работающие при напряжении 127 В и обеспечивающие возможность бурения шпуров диаметром до 42 мм.
Тяжелые (до 120 кг) колонковые электросверла работают при напряжении 220/380 В и требуют значительного расхода[времени на перестановку в забое.
Для обеспечения безопасности работ электросверла с рабочим напряжением 127 В разрешается применять лишь в сухих забоях при постоянной обделке из бетона или железобетона. В мокрых забоях и при обделке из чугунных тюбингов допустимо применение лишь электросверл с рабочим напряжением 36 В (например, ЭБР-19ДМ массой 18 кг).
Бурение производят резцами, армированными пластинками из твердых сплавов. Для успешного удаления буровой пыли диаметр резцов принимают на 15—20% больше диаметра штанг. Чаще всего применяют съемные резцы, скрепляемые с буровой штангой конусным соединением со шплинтом. Буровую штангу, хвостовик которой закрепляется в электросверле, изготовляют из витой стали ромбического сечения. При бурении без промывки витки вращающейся штанги служат шнеком, удаляющим из шпура буровую пыль.
При забуривании шпуров спиральным буром он сильно вибрирует, что создает значительные неудобства. Кроме того, во влажных породах буровая пыль налипает на штангу, закупоривает шпур и приводит к перегрузке двигателя. В этом случае используют штанги шестигранного сечения со сквозным каналом, вода в который поступает сбоку штанги через гидромуфту.
Устройства для установки бурильных машин. Для установки в забое перфораторов и электросверл и обеспечения их производительной работы применяют самоходные буровые рамы и подмости, пневматические поддержки и манипуляторы.
Буровая рама (рис. 133) представляет собой закрепляемую у забоя распорками 4 металлическую конструкцию на колесном ходу, в передней части которой размещен ряд вертикальных колонок 1 с передвижными кронштейнами, служащими для крепления тяжелых перфораторов на салазках с автоподатчиками или электросверл. Расположение колонок и длину кронштейнов
A
Рис. 133. Буровая рама
A-A
T
назначают таким образом, чтобы было возможно удобное обуривание всего комплекта шпуров. При этом для каждой бурильной машины выделяют обслуживаемую ею часть забоя.
В сводчатой части выработки целесообразно размещать криволинейную трубу для поддержки перфораторов при бурении верхних контурных шпуров. Для централизованного распределения сжатого воздуха и воды на буровой раме устанавливают ресивер 2 и водяной бак 3 (при электробурении ресивер отсутствует). Под буровой рамой, находящейся в нерабочем состоянии, должно быть свободное пространство, достаточное для пропуска погрузочных машин и вагонеток. Во время бурения возможно использование съемных вертикальных колонок 5 для бурения средней группы шпуров.
При безрельсовом транспорте буровые подмости, используемые для установки временной крепи, бурения шпуров и их заряжания, размещают на автомашине (рис. 134). Забой широкой выработки обуривают последовательно при двух положениях подмостей.
Для установки легких и средних ручных перфораторов и электросверл применяют пневматические поддержки (рис. 135). Перфоратор крепят шарнирно к цилиндру, из которого давлением сжатого воздуха выдвигается стойка, опирающаяся на пол выработки или платформу буровых подмостей. По мере удлинения стойки происходит изменение угла ее наклона и перемещение перфоратора вперед. Подача осуществляется составляющей усилия, параллельной оси шпура и не превышающей 150 кгс. Пневматические поддержки имеют сравнительно небольшую массу (до 22 кг), и их перестановка занимает меньше
времени, чем перестановка тяжелых перфораторов с салазками и автоподатчиками, но применять поддержки можно для бурения на высоте не более 2 м, а в высоких выработках требуются буровые подмости.
Самоходные буровые подмости (рис. 136) имеют десять выдвижных платформ, используемых для постановки крепи, обуривания забоя и заряжания шпуров. Подмости снаб-
Рис. 134. Буровые подмости иа автомашине:
/ — прожектор; 2 — рабочая платформа; 3 — пневматическая колонка
жены трубчатыми коллекторами для распределения воды и сжатого воздуха и краном для подъема оборудования и элементов крепи. В нижней части подмостей размещен перестановщик вагонеток, с помощью которого производятся маневры у забоя (см. § 54). Устойчивое положение подмостей во время бурения беспечи-вается в продольном направлении специальными устройствами, соединяю- ч щими их с рельсами; в поперечном направлении —
Рис. 135. Пневматическая поддержка:
1 — вспомогательный цилиндр; 2 и 5 — краны для регулирования подачи сжатого воздуха; 3 — хомут; 4 — основной цилиндр;
6 — кран для подачи воды
LZlff—
винтовыми домкратами.
В выработках малого сечения, где применение буровых рам и подмостей
затруднительно, целесообразно использование манипуляторов — двухшарнирных стержневых устройств, закрепляемых на погрузочной машине и поддерживающих тяжелые перфораторы или электросверла. Манипулятор (рис. 137) состоит из колонки 1, жестко прикрепленной к корпусу машины при помощи кронштейнов 2, и съемных частей, к которым относятся стрела 5, подъемный механизм 4 и вертлюг 3, служащий для крепления перфоратора с автоподатчиком 6. Ковш погрузочной машины во время бурения находится в поднятом положении. Перед уборкой породы манипуляторы частично демонтируют и снова собирают перед началом бурения.
Манипулятор МБМ для погрузочных машин ковшового типа можно использовать для установки перфораторов (МБМ-П) и электросверл (МБМ-Э); он обеспечивает обуривание площади забоя высотой до 3 м и шириной до 2,5 м. Масса манипулятора около 160 кг.
Для обуривания забоя с буровой рамы или подмостей, снабженных пара.т дельными забою горизонтальными колонками, целесообразно применять так называемое «лестничное» приспособление, обеспечивающее точность бурения и возможность работы одного бурильщика сразу на двух перфораторах. «Лестничное» приспособление (рис. 138) представляет собой направляющую раму 11 из двух уголков, соединенных приваренными к ним через 20 см трубчатыми связями 12. К уголкам изнутри приварены трубчатые направляющие 8 для передвижения каретки 6 с перфоратором 5. Подача перфоратора вдоль рамы осуществляется выдвижением штока 9 пневмоподатчика 7, опирающегося башмаком 10 на поперечные связи 12. Буровая штанга 1 проходит через разъемную поддержку 3, закрепленную на выдвижной раме, состоящей из опорной части 2 и трубчатых направляющих 4.
Каждое приспособление с перфоратором, закрепленное на горизонталь' ной колонке, обеспечивает бурение группы шпуров, расположенных на одном уровне. Поворот приспособления относительно точки, удаленной на некоторое расстояние от забоя, обеспечивает изменение наклона шпура к плоскости забоя и возможность образования «плужного» вруба (см. рис. 127).
Установка для бурильных машин вращательно-ударного действия. Бурильные машины вращательно-ударного действия состоят из бурильной головки, механизма подачи и штанги с буровой коронкой. Бурильная головка перемещается по направляющей балке с помощью механизма подачи и обеспечивает вращение штанги, которое сопровождается частыми ударами по ее хвостовику.
2
(максимальное Выдвижение средних
платформ)
2200
1800
(Максимальное Выдвижение)
1800 оыо
аксималь-нае Выдвижение крайних платформ )
к
Рис. 136. Буровые подмости с перестанрвщиком:
1 — вантовые домкраты; 2 — подъемный кран; 3 — выдвижные платформ МЫ;. 4 — Лружвнный буфер; 5 — горнвовтальная рама; 6 — карете с цепным устройством; 7 —пневматический подъемник
Рис. 137. Манипуляторы иа погрузочной машине
Наибольшее распространение получили пневматические бурильные машины БГА-1, применяемые для бурения в породах с коэффициентом крепости до 14—16. Бурильная машина БГА-1 создает усилие подачи на забой до 800 кгс, обеспечивает вращение штанги со скоростью 100 об/мин и делает 2500 ударов в минуту по хвостовику. Для работы машины требуется в 1 мин 10 м3 сжатого воздуха и до 12 л воды.
Чистая скорость ис бурения машиной при диаметре коронки 42 мм составляет: в сланцах (/ = 3 4-4) иб = 2 4- 2,5 м/мин; в песчаниках (f = = 6 4- 8) иб = 1,2 4- 1,6 м/мин; в гранитах (/=12 4- 14) v = 0,6 4- 0,8 м/мин.
7
Рис. 138. «Лестничное» приспособление для бурения шпуров
Для использования машин БГА-1, имеющих большую массу (362 кг), необходимы гидравлические манипуляторы, закрепляемые на буровой раме или самоходных установках.
Самоходный буровой агрегат БА-1 (рис. 139) представляет собой металлическую раму 2 на колесном ходу с приводом 6, оснащенную шестью пневматическими бурильными машинами БУ-1 3 на гидравлических манипуляторах 4, с помощью которых обуривается большая часть забоя однопутного железнодорожного тоннеля. Устойчивость каждой машины обеспечивается двумя пневматическими домкратами 5, упирающимися в забой. Агрегат передвигается по
Рис. 139. Буровой агрегат БА-1
рельсовому пути с шириной колеи 510 см, что обеспечивает возможность работы под рамой двух погрузочных машин. В задней части агрегата разме-___ щена кран-балка 1 для * подъема арок и других элементов временной крепи.
В выработках большого сечения особенно удобны самоходные буро-вые установки на гусенич-ном ходу, используемые в комплексе с экскаваторами и автотранспортом. К таким установкам относятся _i СБУ-2М и СБУ-4 соответственно с двумя и четырьмя машинами БГА-1. С одной
Рис. 140. Самоходная буровая установка СБУ-4 позиции машина СБУ-2М обуривает забой высотой до 5,5 м и шириной 6,5 м; СБУ-4 — забой высотой до 12 м и шириной до 8,7 м.
Установка СБУ-4 (рис. 140) имеет четыре машины /, поддерживаемые гидравлическими манипуляторами 2 на рабочих площадках 3, верхняя из которых изменяет положение при помощи стрелы 4, тяги 5 и двух гидравлических домкратов 6. Устойчивость установки во время бурения обеспечивается четырьмя гидравлическими упорами 7. Каждая из четырех бурильных машин упирается в забой двумя .пневматическими домкратами 8 для облегчения забуривания. Дополнительная подъемно-поворотная площадка 9 предназначена для облегчения обслуживания верхних машин, а также вспомогательных операций (заряжание шпуров, установка анкерной крепи и оборка кровли). Габариты установки в транспортном положении — 8,0 X 3,2 X 3,36 (высота) м, масса 26,7 т.
Навесными агрегатами БГА-1 на манипуляторах оборудованы также погрузочные машины непрерывного действия на гусеничном ходу. Применение таких буропогрузочных машин удобно тем, что исключает необходимость обмена в забое бурильных установок и машин для погрузки породы. Снабженная двумя бурильными машинами БГА-1 машина 2ПНБ-2п обеспечивает обуривание забоя шириной 5 м и высотой 4 м. Габариты машины 8,0 X 1,89 X X 2,34 (высота) м, масса 15,5 т.
ПОГРУЗКА ПОРОДЫ И ПОДЗЕМНЫЙ ТРАНСПОРТ
§ 53. ПОГРУЗКА ПОРОДЫ
Освобождение забоя от взорванной породы — одна из наиболее трудоемких операций, занимающая до 40% времени проходческого цикла. Эта операция состоит из погрузки породы в транспортные средства и ее перемещения к месту отвала.
Породопогрузочные машины. Главным направлением механизации погрузочных работ в забоях подземных выработок является применение погрузочных машин, обеспечивающих надежную уборку породы крупной кусковатости в любых условиях. Выбор типа погрузочной машины определяется размерами проходимой выработки, родом имеющейся энергии, требуемой производительностью погрузки и крупностью кусков взорванной породы.
При строительстве тоннелей применяют погрузочные машины периодического и непрерывного действия на колесном или гусеничном ходу. Машины периодического действия делят на две группы: с погрузкой непосредственно в вагонетку и с погрузкой на транспортер машины.
Машины первой группы (например, ПМЛ-5, рис. 141) имеют ковш /, вращающийся в вертикальной плоскости и перебрасывающий породу через корпус 2 машины в вагонетку. Для захвата породы машина с опущенным ковшом и прицепленной сзади вагонеткой двигается к забою, внедряет ковш в породу и одновременно его встряхивает. После наполнения ковша он опоражнивается в вагонетку при заднем ходе машины. Корпус машины смонтирован на поворотном круге, вследствие чего ковш может отклоняться в обе стороны от оси пути на 30° с увеличением фронта погрузки. Машина ПМЛ-5К производительно работает при крупности кусков породы до 300 мм, проста по конструкции и удобна в перемещении. Машина ППН-2 по конструкции аналогична машине ПМЛ-5К, но значительно производительнее и обеспечивает погрузку более крупных глыб породы.
Перечисленные машины обладают небольшим сцепным весом и при погрузке породы большой крупности часто буксуют, что снижает их производительность. Кроме того, они имеют узкий фронт погрузки, вынуждающий прибегать к ручной подкидке породы в полосу действия машины. Неравномерность загрузки по длине ограничивает рациональный объем вагонеток величиной 1,2—1,3 м3.
Машина второй группы ППМ-4 (рис. 142) состоит из корпуса 1 с продольным транспортером 2 и черпанного устройства со стрелой 3, отклоняющейся от продольной оси в обе стороны на 50°. Разгрузочная часть транспортера может подниматься и опускаться от среднего положения на 500 мм, а сам транспортер поворачиваться в плане на угол ± 12,5°. Машина с прицепленной вагонеткой и опущенным ковшом 4 продвигается вперед, врезаясь в породу. Заполненный ковш поднимается вверх и толчком опорожняется в желоб, откуда порода поступает на ленточный транспортер шириной 600 мм, движущийся со скоростью до 0,8 м/с. Наличие стрелы обеспечивает возможность взятия породы на 175 мм ниже уровня откаточных путей, а поворот транспортера— возможность погрузки на промежуточный продольный . транспортер, расположенный сбоку от пути, по которому двигается машина.
ZZ7Z7
...—---------------
Рис. 141. Погрузочная машина ПМЛ-5
г
Рис. 142. Погрузочная машина ППМ-4
Машина МПР-6 (рис. 143) отличается тем, что имеет ковшевое устройство 1 без стрелы, при повороте передней части корпуса 2, отклоняющееся от оси пути на 34& в обе стороны и опорожняемое на транспортер 3. Машина МПР-6 является самой мощной и производительной из отечественных погрузочных машин периодического действия, имеет большую массу и обеспечивает хорошее внедрение в породу значительной крупности.
В машинах ППМ-4 и МПР-6 имеется выдвижная сцепка 4 (см. рис. 143) с вагонеткой, допускающая продольное перемещение длинной вагонетки для ее равномерной загрузки (три положения под консольной частью машины). Поворот ковша в горизонтальной плоскости производится механически (так же как в ППН-2), в то время как в ПМЛ-5 он осуществляется вручную.
Слабым местом машин с погрузкой на ленточный транспортер является быстрый износ ленты транспортера при твердых скальных породах. Характеристики погрузочных машин приведены в табл. 22.
Разработку конструкций погрузочных машин ведут в двух направлениях: в направлении увеличения емкости ковша, фронта погрузки и сцепного веса, определяющего напор машины на породу, и в направлении создания машин с принципиально новыми способами захвата породы, непрерывным действием и размещением на машине оросительных установок для обеспыливания призабойного пространства во время погрузки. Второе направление характеризуется стремлением устранить принципиальные недостатки описанных выше машин: захват снизу вверх ковшом, внедрение которого в кучу породы требует значительного усилия, и периодичность действия.
Таблица 22
Основные характеристики породопогрузочных машин периодического действия
Характеристики ПМЛ-5К ППН-2 ППМ-4П ППМ-4Э МПР-6 «Колвей-100»
Род энергии Пневматическая Электрическая
Емкость ковша, м3 Число черпаиий в минуту . . 0,17 0,32 0,32 0,32 0,38 0,76
3-4 2—3 4—5 4 -5 2—3
Фронт погрузки, м Максимальная крупность кусков породы (при их содержании не более 10% всего 2,4 2,5 4,0 4,0 3,9 6,1
объема), мм 400 400 450 450 600 750
Ширина колеи, мм Габариты в рабочем состоянии, м: 600; 750 600; 750; 900 600; 750; 900 600; 750; 900 750; 900 900
высота 2,20 2,35 2,09 2,09 2,80 4,17
ширина 1,45 1,59 1,70 1,70 1,97 2,03
длина 2,44 2,55 7,44 7,44 6,52 11,28
Масса, т Минимальная теоретическая 3,50 4,70 9.0 9,0 8,8 18,3
производительность, м3/ч 30 • 40 75 75 90 100
Созданы машины непрерывного действия с нагребающими устройствами. Примером такой опытной конструкции может служить машина (рис. 144), которая сгребает породу сверху вниз на скребковый транспортер, осуществляющий погрузку в вагонетки (ФРГ).
Более рационален боковой захват породы с помощью так называемых нагребающих лап, расположенных на забирающей части машины, выполненной в виде наклонной стальной плиты с желобом посередине. Нагребающие лапы непрерывно направляют породу на скребковый транспортер, загружающий вагонетки или автосамосвалы. Такие машины обычно перемещаются на гусеничном ходу и обладают поэтому большой маневренностью, позволяющей им обслуживать выработки значительной ширины.
Наиболее мощной машиной непрерывного действия является машина ПНБ-ЗК (рис. 145), обеспечивающая непрерывную погрузку разрыхленной взрывом породы крупностью до 600 мм в транспортные средства с высотой погрузки до Зм. Машина имеет длину 8,5 м и высоту 1,9 м. Забирающая часть 1 машины шириной 2 м наклонена под углом 30° к подошве выработки и может опускаться ниже уровня гусениц 4 на 30 см и подниматься на 40 см. На плите забирающей части смонтированы ведущие диски 2 с нагребающими лапами, совершающими возвратно-колебательные движения, в результате которых порода направляется в желоб скребкового транспортера шириной 725 мм. Стрела 3 транспортера может поворачиваться в плане в обе стороны на 45° от оси машины, что облегчает погрузку породы в транспортные средства.
Машина ПНБ-ЗК оснащена оросительной установкой с плоскоструйными форсунками, расходующими 40—50 л воды (под давлением не менее 5 кгс/см2) на 1 м3 погружаемой породы. Теоретическая производительность машины достигает 180 м®/ч. Масса машины 24 т.
Выбор погрузочной машины определяется принятой схемой организации работ. При рельсовом транспорте наиболее целесообразны машины с погрузкой на транспортер (ППМ-4.МПР-6), обеспечивающие равномерную загрузку вагонеток большой емкости и имеющие ковш, позволяющий грузить большие глыбы.
Машины с непосредственной погрузкой в вагонетки находят применение лишь при проходке узких опережающих выработок. При безрельсовом транспорте рекомендуются погрузочные машины на гусеничном ходу, к которым относятся машины ПНБ-ЗК и тоннельные экскаваторы.
Тоннельные экскаваторы. В выработках большого поперечного сечения для погрузки породы можно применять полноповоротные одноковшовые экскаваторы на гусеничном ходу. Габариты и конструкция таких экскаваторов приспособлены для работы в подземной выработке. Для этого укорачивают стрелу, второй иногда придают изогнутую Г-образную форму, уменьшают длину корпуса машины и увеличивают противовес.
Преимуществом экскаваторов перед погрузочными машинами является канительный объем ковша (0,75—1 м8), перемещение на гусеничном ходу пря-Ж) по неровной подошве выработки и возможность погрузки без перерыва на 159
Рис. 144. Погрузочная машина с верхним захватом породы:
/ — лоток; 2 —гребковое устройство; 3 — пневматические домкраты; 4 — скребковый транспортер; 5 — разгрузочный лоток
два пути, расположенные сбоку и сзади экскаватора. Большой объем ковша позволяет грузить крупные глыбы породы, в связи с чем можно применять глубокие шпуры большого диаметра, что приводит к Сокращению общей длины шпуров и расхода ВВ. Особенно целесообразно применение экскаваторов с погрузкой в автосамосвалы, полностью исключающей необходимость в рельсовых путях.
Примером специального тоннельного экскаватора является экскаватор Э-7515 (рис. 146), который предназначен для погрузки породы крупностью до 650 мм при проходке выработок сечением более 40 м2 и шириной не менее 5,5 м.
В выработках высотой не менее 5 м и шириной не менее 10 м можно применять экскаватор ЭП-1, созданный для погрузки скальной породы крупностью до 900 мм на подземных работах в горной промышленности.
Рис. 145. Погрузочная машина ПНБ-ЗК
Основные характеристики экскаваторов Э-7515 и ЭП-1 приведены ниже.
Э-7515 ЭП-1
Емкость ковша, м3.......... 0,75 1,0
Число циклов в минуту ... 2 3
Наибольший радиус черпания, м .................... 5,5 8,5
Наибольший радиус разгрузки, м...................... 4,5 7,2
Наибольшая высота разгрузки, м 4,7 5,1
Масса, т................... 17,0 35,6
Теоретическая производительность, м3/ч................90 180
В комплексе с погрузочными машинами и экскаваторами на гусеничном ходу для подгребания породы и расчистки проезжей части применяют бульдозеры (например, дизельный Д-492, имеющий поворотный отвал шириной 3 м и высотой 1 м; габариты бульдозера 5,55 х 3,94 х 3,06 (высота) м.
Производительность погрузки. Фактическая производительность погрузочной ма
Рис. 146. Тоннельный экскаватор Э-7515:
/ — напорный механизм; 2 —стрела прямой лопаты; 3 — ковш с рукоятью; 4 — ходовая тележка; 5 — корпус
шины зависит от конструктивных характе-
ристик и конкретных условий ее применения и в первую очередь от четкости организации работ. Производительность погрузочных машин выражают в м'Уч, при этом имеют в виду объем породы в массиве, т. е. в ненарушенном состоянии. Производительность Р погрузочной машины определяют в м®/ч оо формуле
_______________60<р_____________
f ' I *1 4-Лм. ViC nil’ll
(139)
где ф — коэффициент использования машины с учетом времени на подготовку ее к работе, осмотр забоя, простои и задержки (Ф = 0,80 4- 0,85);
Ар — коэффициент разрыхления породы, изменяющийся от 1,1 (мелкий песок) до 2,2 (весьма крепкие скальные породы) (см. табл. 17);
I, и 4 — продолжительность соответственно рабочего цикла машины, замены груженой вагонетки порожней и груженого состава из п вагонеток порожним, мин;
Vx и V2 — емкости вагонетки и ковша машины, м3;
’ll и %— коэффициенты заполнения вагонетки (г^ = 0,9 4-1,0) и ковша машины (для ковшей емкостью до 0,25 м3 т]2 = 0,5 4- 0,7; для ковшей емкостью 0,32 м3 и более т)2 = 0,8 4- 0,9).
Приводимая обычно в каталогах теоретическая производительность Рт огрузки соответствует идеальным условиям (непрерывная переброска в отвал неразрыхляющегося материала при полном заполнении объема V2 ковша) в практически недостижима. Эта производительность может быть определена ж> формуле, являющейся частным случаем формулы (139):
Рт
60Уа t
(140)
Производительность машины ПНБ-ЗК также меньше теоретической <РТ = 180 м3/ч) и зависит от продолжительности ее рабочего цикла, слагаю-жгося из чистого времени погрузки по ширине забирающего устройства (tx = = 2 мин) и времени перемещения машины в новую позицию со скоростью около • Зж 1207 161
10 м/мин (/2). За время цикла (/ = + /2) машина может погрузить объем
t р
мэ разрыхленной породы. Ее действительная производительность (мэ. ч) по массиву составит примерно
р = А11_. (Hi,
Ар t
При этом предполагается, что перемещение транспортных средств происходит во время перемещений машины и не ограничивает ее производительности. В противном случае в числитель формулы (141) следует ввести коэффициент <р < 1.
Из формулы (139) следует, что для повышения производительности погрузки при заданных параметрах машины необходимо увеличивать объем вагонетки (Vj) и уменьшать время смены груженых вагонеток и составов порожними и /2). Поэтому в подземном строительстве имеется тенденция к применению вагонеток большого объема, что не вызывает затруднений при проходке тоннелей с порталов. При строительстве метрополитенов, где проходку ведут через стволы шахт, объем вагонеток ограничивается размерами клети шахтного подъема и габаритами подходных выработок. Использование вместо вертикальных стволов наклонных эскалаторных тоннелей снимает эти ограничения.
Уменьшение времени, расходуемого на смену вагонеток, может быть достигнуто применением рациональных маневровых устройств у забоя выработки (см. рис. 149) и использованием вагонеток-бункеров большой емкости (например, ВПК-7 объемом 7 м3, колея 750 мм), снабженных транспортерами-питателями. В последнем случае погрузку осуществляют в вагонетку-бункер непрерывно, а из нее с помощью скребкового питателя — в обычные вагонетки по мере их подачи.
Ручная погрузка. Ручную погрузку породы применяют как исключение в тесных (шириной менее 1,5 м) выработках, где использование машин невозможно, при малых объемах работ, делающих применение машин неэкономичными, а также при подборке породы, не взятой машиной. Для повышения производительности ручной погрузки целесообразно укладывать перед забоем (до взрыва или отбойки породы молотками) стальные листы. Ширина фронта погрузки на одного рабочего должна быть не менее 1 м.
Ручная погрузка непосредственно в вагонетки связана с подъемом породы на высоту до 1,2—1,3 м. Для уменьшения трудоемкости погрузки целесообразно применять ленточные транспортеры-перегружатели, загрузочные воронки которых низко опущены, тогда как концевая часть приподнята настолько, что под нее можно подвести вагонетку (рис. 147). При этом высота подъема породы при погрузке уменьшается до 35—40 см, а производительность погрузки возрастает примерно в 2—2,5 раза.
Перегружатели имеют ленту шириной 500 мм, движущуюся со скорость» 1 м/с, и общую ширину, позволяющую использовать их в выработках шириной менее 1,5 м.
Рис. 147. Перегружатель П-4:
/ — натяжное устройство; 2 —ходовая тележка; 3— приводное устройство; 4 — лента транспортер*. 5 — электродвигатель с редуктором; б — рама транспортера; 7— загрузочная воронка
Наиболее удобны перегружатели с удлиненной приподнятой частью, под жоторой может разместиться п вагонеток. При рациональном маневрировании грчжейыми вагонетками и порожняком применение такого перегружателя позволяет загрузить без перерыва (2П—1) вагонеток.
При разработке выработки по частям породу сбрасывают через вертикальные ходки из верхней штольни или калотты непосредственно в вагонетки, находящиеся в нижней штольне. Для доставки породы к месту сбрасывания целесообразно применять скреперные установки.
§ 54. ОТКАТКА В ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТКАХ
Рельсовый путь. К основным звеньям рельсового транспорта относятся рельсовый путь, вагонетки различного назначения и устройства для приведения их в движение. Работа рельсового транспорта в значительной степени завесит от состояния рельсового пути, качеству которого должно уделяться большое внимание. В подземных выработках применяют рудничные рельсы, вес которых должен соответствовать весу подвижного состава и установленным скоростям движения.
Для электровозной откатки применяют рельсы длиной 8м и массой 1 пог. м 18 кг при емкости вагонеток до 1,5 м3 и 24 кг при емкости их более 1.5 м3. Деревянные или металлические шпалы располагают не реже чем через 0.75 м. Стыки рельсов устраивают на весу с накладками и при применении контактных электровозов соединяют рельсы контактными перемычками из голого медного провода сечением не менее 50 мм2.
Ширина колеи на прямой определяется типом подвижного состава и составляет 600, 750 или 900 мм. Ширина междупутья должна обеспечивать наличие зазора между составами на параллельных путях не менее 200 мм и увязываться с размерами стандартных стрелочных переводов, укладываемых между путями.
Радиусы кривых назначают равными длине не менее семи жестких баз подвижного состава при ручной и канатной откатке и не менее десяти жестких баз при электровозной откатке. Желательно наличие двух путей по всей дли-ее тоннеля со съездами через 200—300 м для обеспечения маневров подвижного состава. При одном пути через 150—200 м устраивают разминовки, длина которых должна обеспечивать размещение наиболее длинного возможного состава. В качестве переводных устройств используют смонтированные на стальных ьтитах стационарные односторонние и перекрестные съезды (ширина между-гугъя 1200 и 1500 мм), а также переносные устройства, перемещаемые по мере продвижения забоя.
Наращивание рельсов у забоя наиболее просто выполняют при помощи ЕЬ1движных'_звеньев 1, смонтированных на металлических шпалах 2 (рис. 148)
По мере продвижения забоя звенья переносят вперед, а на их место настилают постоянные откаточные пути.
Переносные рельсовые пути в призабойном пространстве допускаются на протяжении не более 30 м. Весьма целесообразно устраивать стальную платформу, служащую основанием для рельсовых путей у забоя п перемещаемую по мере его продвижения. В этом случае обеспечивается надежное основание для работы погрузочной машины, а наращивание сначала рубок, а затем рельсов полной длины производят за платформой после ее передвижения.
8)
Перекрестный съезд на ст. плите
г)
1——1 1 l_J L —
11 } 1 — *1 . —I——-н—Н — -
. - , .
п—т 1 1 — | - • — -/ ~ '
’ - “ /
Перестановщик или. роликовая стрелка
Разминовка на ст. плите
Монорельс Пневмоподъеы^ив
Рис. 149. Маневровые устройства у забоя
Маневровые устройства у забоя. Для обмена вагонеток у забоя применяют разнообразные устройства (рис. 149). В двухпутных выработках, обслуживаемых одной погрузочной машиной, можно рекомендовать следующие схемы: с центральной стрелкой, смонтированной на передвижной платформе, при этом примерное время обмена вагонеток : = 1 4- 1,5 мин (рис. 149, а), или с боковым —экспортером (^ = 0) (рис. 149, б).
Платформа представляет собой стальную плиту со стрелочным переводом, уложенную на рельсы
откаточных путей и передвигаемую вслед за забоем погрузочной машиной или установленными на плите гидравлическими домкратами. Для облегчения заматывания на стрелку вагонеток концы рельсов срезают с уклоном 1 : 10 жли к плите вместо рельсов приваривают лишь их головки, а в местах заезда загонеток в плите делают углубления.
Боковой транспортер перемещается вслед за забоем по одному из путей. Погрузка на транспортер при применении машины типа ППМ-4 может произ-сдиться непосредственно с помощью отклоненного в сторону транспортера машины или через подвешенный к концу его наклонный поперечный желоб, захолящийся во время возвратно-поступательного движения машины над удлиненной загрузочной воронкой бокового транспортера.
При применении машин других типов погрузку ведут в прицепленную с машине вагонетку с боковым питателем, через который порода поступает еа боковой транспортер. Состав порожняка подается па второй путь и по жеге загрузки вытягивается электровозом.
В двухпутных выработках с двумя погрузочными машинами для обмена аагонеток применяют схемы с перекрестным съездом (Л = 1,5 4- 2 мин) •дгс. 149, в), роликовой стрелкой (/х = 1,5 4- 2 мин), перестановщиком ваго-зггок (Zj = 1 мин) (рис. 149, г) или центральным транспортером (^ = 0) •тис. 149, б).
Перекрестный съезд является простейшим устройством, но с» не может быть рекомендован при скоростных проходках, так как его при-ж*-:енпе связано с неизбежными простоями погрузочных машин во время ма-эе=ра на съезде, где пересекаются грузовое и порожняковое направления. К; оме того, передача груженых вагонеток через съезд является трудоемкой 1 ограничивает их возможный объем. Более целесообразно применять устройства. перемещающие вагонетку на параллельный путь поперек выработки. К таким устройствам относятся роликовая стрелка и перестановщик вагонеток.
Роликовая стрелка (рис. 150) представляет собой накладываемую на два параллельных пути раму (из уголков или швеллеров) с легкой ьатеткой, передвигающейся по раме па роликах. Вагонетка вкатывается на •агетку по съемным башмакам с уклоном 1 : 10 и перемещается на параллель-путь под погрузку. Чтобы избежать необходимости перекатывать через —«у груженые вагонетки, раму снабжают шарнирным устройством, позволяю-г_ м поставить ее половину в вертикальное положение и освободить, таким Геэзом, грузовой путь.
Перестановщик вагонеток (см. рис. 136) представляет г<сй сварную горизонтальную раму 5, одна сторона которой шарнирно при-Ert.-лепа к конструкции буровых подмостей, а другая может подниматься г :• пускаться пневматическим подъемником 7. На раме смонтирована каретка 6 с _сгным устройством. Перемещаемая вагонетка захватывается крюками цеп-устройства, рама наклоняется, и каретка вместе с вагонеткой под дейст-игч силы тяжести перекатывается на параллельный путь, где пружинные fviera 4 обеспечивают ее плавную остановку. За пределы рамы вагонетка •ыглкпвается пневматическим толкателем.
Преимуществами этой схемы являются полное исключение ручного труда а Острота обмена вагонеток.
Наибольшая производительность погрузки обеспечивается при применении транспортера, перемещаемого по короткому центральному пути и служащего для непрерывной загрузки составов из нерасцепленных вагонеток. В этом случае замена груженого состава порожним также происходит без перерыва в погрузке (t2 = 0).
В однопутных выработках, применяемых при строительстве тоннелей сравнительно редко, обмен вагонеток производится с помощью накладной разминовки (4 = 14- 1,5 мин), портального транспортера (4 = 0) или пере-становщнка вагонеток (4 = 1,5 4- 2 мин).
Разминовка (рис. 149, е) представляет собой стальную плиту, на которой смонтированы два симметричных стрелочных перевода с участком прямого пути между ними, соответствующим длине состава вагонеток.
Портальный транспортер (рис. 149, ж) перемещается по пути широкой колеи и имеет длину, позволяющую разместить под ним состав вагонеток. Непрерывная загрузка вагонеток обеспечивается вытягиванием состава из-под транспортера.
В зарубежной практике имеются примеры применения в узких выработках специальных вагонов большой длины, вмещающих полный объем взорванной породы. На дне такого вагона устроен пластинчатый транспортер, с помощью которого порода, загружаемая погрузочной машиной в переднюю часть вагона, распределяется по всей длине вагона. После вывоза вагона из тоннеля производится его разгрузка на эстакаде в вагонетки обычных размеров.
Штольневой перестановщик вагонеток (рис. 151) представляет собой монорельс / с тельфером 2, прикрепленный к кровле поперек выработки. С помощью тельфера порожняя вагонетка 3 приподнимается, отводится в сторону 4 (для чего иногда приходится устраивать ниши 5 по длине штольни). После откатки от забоя груженой вагонетки порожняя вагонетка (см. рис. 149, з) ставится тельфером на путь и подается составом под погрузку.
Вагонетки. Вагонетки для перемещения породы при минимальных поперечных размерах должны иметь достаточную емкость (1,5—6 м®), чтобы обеспечить производительную работу погрузочной машины, быть прочными и устойчивыми, обладать малым весом, легкостью хода и малой жесткой базой (около */3 их длины) для облегчения прохождения кривых. Кроме того, они должны иметь высоту, соответствующую высоте разгрузки погрузочной машины, н длину, при которой обеспечивается их равномерная загрузка породой (пре наличии у погрузочной машины выдвижной сцепки — 3 м и более).
Ширина вагонетки не должна превышать ширины электровоза, а ее длина должна быть увязана с длиной подъемной клети (при подъеме вагонеток через ствол вертикальной шахты).
Вагонетки делят на опрокидные (разгружающиеся поворотом кузова относительно горизонтальной оси), саморазгружающиеся (без опрокидывания^ и глухие (требующие для разгрузки устройства специальных опрокидывателей на месте отвала).
Опрокидные вагонетки (рис. 152, а) имеют емкость до 1 м®, удобно разгружаются без специальных опрокидывающих устройств и получили (так же как саморазгружающиеся вагонетки) широкое распространение при строительстве тоннелей. Приспособление для их разгрузки должав обеспечивать невозможность произвольного опрокидывания во время движения и полное опорожнение в отвал или бункер с возвращением кузова в вертикальное положение. Вагонетка ВО-5 емкостью 1 м® для колен 750 мм имеет размеры 1300 (высота) х 1215 X 2510 мм. Постановка опрокидных вагонеттж в состав, перемещаемый электровозом, не допускается.
Саморазгружающиеся вагонетки (рис. 152, б), применяемые при проходке тоннелей через порталы, имеют значительные емкосж и габаритные размеры. Для обеспечения их устойчивости при электровозам откатке ширину колеи принимают равной 750 или 900 мм. Для разгрузки в м-сте отвала вагонетки имеют откидной борт 1 и устройство, придающее яд кузова 2 поперечный наклон в 30—40°.
Выпускаемые в настоя-ее время вагонетки ВРС-2,5 емкостью 2,5 м3 яяя колеи 750 мм имеют размеры 1400 (высота) х х 1350 X 3150 мм.
Опрокидные и самораз-гружающиеся вагонетки еот сравнительно сложат устройство и хорошо работают при постоянном шдзоре и профилактическом ремонте.
Глухие в а г о- е т к и (рис. 152, в), ку-жв 1 которых жестко свяжи с ходовой частью 2, яваот наиболее простую и идежную конструкцию, кзимальный коэффициент еры (отношение веса ва-асаетки к весу перевози-сго груза) и требуют ма-лп затрат на ремонт. На строительствах метро-асаитенов применяют ваго-агтки емкостью 0,75 и 15 м3, приспособленные ш подъема в шахтных жэетях размером 3 х 1 м. 2k-я разгрузки глухих ва-жгеток необходимы спе-иальные опрокидыватели, вторые обычно распола-вот на разгрузочных эстакадах над бункерами.
Наиболее распростра-хз круговые опрокиды-тели (рис. 153). Опро-кждыватель представляет «бой цилиндрический ба-чабен 2 с горизонтальной «ъю вращения. Вагонетка шовггся в опрокидыватель • автоматически закрепляется в нем неподвижно с лжцью упоров 1. После •ии барабан опрокидыва-жгг совершает полный босот. во время которого гсеетка разгружается в ►иг? 3. Преимуществом •тгового опрокидывателя г сравнению с опрокиды-K2SMH других конструк-кб (например, лобовым) ттгся возможность раз-фузазг состава вагонеток
Рис. 151. Штольневой перестаповщик вагонеток
ООН
Рис. 152, Основные виды вагонеток
без расцепки их (при совпадении оси вращения опрокидывателя с осью вращающейся сцепки вагонетки).
Для доставки материалов к месту работ применяют специальные транспортные средства: для бетонной смеси — опрокидные вагонетки-бетоно-возки (емкостью 0,25 м3), вагонетки со съемными кузовами или контейнеры, перевозимые на вагонетках, для тюбингов и блоков — платформы с поворотным кругом, на которые элементы обделки кладут выпуклостью вниз; для сыпучих материалов — вагонетки или контейнеры на платформах или в вагонетках; для леса — длинные платформы с устройством, обеспечивающим
Рнс. 153. Круговой опрокиды- закрепление досок и бревен.
ватель Виды откатки. Откатка вагонеток произво-
дится, как правило, механической тягой.
Основным и наиболее экономичным видом подземного транспорта является электровозная откатка, целесообразная при уклонах, не превышающих 30°/оо. Для откатки используют электровозы с двигателями постоянного тока, требующие устройства преобразовательных подстанций и станций для зарядки аккумуляторов.
Применяющиеся электровозы делят на аккумуляторные (АРП), контактные (КР), аккумуляторно-контактные (АКР) и контактно-кабельные (ККР).
Буквы в марке электровоза указывают его тип, цифры — сцепной вес и ширину колеи. Например, 12АРП-900 означает аккумуляторный рудничный электровоз повышенной надежности весом 12 тс для колеи 900 мм.
Аккумуляторные электровозы получают питание от аккумуляторных батарей, размещенных на раме электровоза. Они не зависят от внешних источников энергии и не представляют опасности в смысле поражения током.
Кроме мощных аккумуляторных электровозов (например, 8АРП-600 с часовой силой тяги 1150 кгс и шириной колеи 1050 мм, работающий при напряжении 120 В), имеются малогабаритные маневровые электровозы, предназначенные для маневров с вагонетками у забоя (например, 2АРП-600 с часовой силой тяги 210 кгс, шириной колеи 900 мм, работающий при напряжении 45 В).
К недостаткам аккумуляторных электровозов, на которых размещаются батареи, относятся их большой вес и громоздкость, необходимость в зарядной станции и частой смене батарей для зарядки (через 3—4 ч), удорожающие подземную откатку. Выделение газов из аккумуляторов исключает возможность использования электровозов этого типа при работе под сжатым воздухом.
Аккумуляторные электровозы применяют в штольнях малого сечения и ня участках расширения выработки (где подвеска контактного провода затруднена), а также в выработках, опасных по газу и пыли.
Контактные электровозы получают энергию от контактного провода, подвешенного на высоте не менее 2,2 м от уровня головки откаточных рельсов по оси каждого пути и защищенного деревянным коробом в з«-стах погрузки породы из люков. В готовом тоннеле контактный провод подвешивают на поперечных растяжках с расстоянием между точками подвеса не более 5 м на прямых и 3 м на кривых; в штольнях допускается жесткое крепление провода при минимальном расстоянии от него до верхняка 0,2 ж. По мере продвижения забоя контактный провод наращивают, разматывая ег> с кабельного барабана, размещаемого вблизи от забоя. Обратным проводом, по которому ток возвращается к трансформаторной подстанции, служат рельсы.
Контактные электровозы отличаются простотой конструкции и эксплуатации, компактны, обладают большой мощностью и постоянной готовностью к использованию; они экономичнее аккумуляторных.
Кроме мощных контактных электровозов, работающих при напряжении 350 В (например, 7КР-600 с часовой силой тяги 1330 кгс и шириной колеи 1040 мм), имеются малогабаритные электровозы (например, 2КР-600 с часовой силой тяги 222 кгс и шириной колеи 850 мм, работающий при напряжении 50 В).
Недостатками контактных электровозов являются необходимость удли-оения контактного провода по мере продвижения забоя и электрического соединения откаточных рельсов, а также наличие открытой электрической цепи, создающей опасность поражения током. Поэтому их применение нежелательно на участках, где одновременно с проходкой ведут бетонирование, изоляционные работы и пр. Наиболее целесообразно применять электровозы этого типа в готовой части тоннеля, где работы по расширению сечения и устройству обделки закончены, а также на поверхности.
Очень удобны в работе аккумуляторы о-к онтактные электровозы, используемые как контактные на участках готового тоннеля на поверхности или как аккумуляторные — на участках, где ведутся проходка и сооружение обделки (при отсутствии контактного провода). Аккумуляторные батареи этих электровозов перезаряжаются за счет тока, получаемого от контактного провода, вследствие чего необходимость в зарядной станции отпадает.
Недостатком электровозов этого типа является высокое напряжение аккумуляторных батарей, которое должно соответствовать напряжению контактной сети.
Контактно-кабельные электровозы снабжены вертикальным барабаном, с которого сматывается кабель при движении электровоза по участку без контактной сети.
Электровозы всех типов, как правило, находятся в голове состава. При этом скорость их движения не должна превышать 10 км/ч. Во время маневровых операций на коротком участке (до 50 м) разрешается расположение электровоза в хвосте состава с уменьшением скорости движения др 4 км/ч.
Особого внимания требует организация электровозной откатки на укло-вах, допускающих движение подвижного состава под действием собственного веса (i = 8-г 9°/00). В этом случае в состав следует включать тормозные вагонетки в количестве, определяемом расчетом. При их отсутствии в хвосте состава, движущегося на подъем, должен находиться второй электровоз.
Расчет электровозной откатки. Вес состава при электровозной откатке ограничивается силой тяги электровоза, определяемой по условию сцепления при трогании с места, длиной тормозного пути и мощностью тяговых двигателей.
По условию сцепления при трогании с места на подъеме i°/M вес состава (тс) не должен превышать величины
Шгр -f- i -f-11
где ф' — коэффициент сцепления колес с рельсами, принимаемый равным 0,25 (при подсыпке песка);
Рс и Р — соответственно сцепной и полный веса электровоза, тс;
шгр — удельное сопротивление груженой вагонетки при трогании (8—9 кгс/тс);
а — пусковое ускорение (0,03—0,05 м/с2).
По условию торможения груженого состава на спуске t°/00 вес состава (тс) не должен превышать величины
™ юоог р г р
— (Огр “bi +1 lOflj
(143)
где ф"— коэффициент сцепления, принимаемый равным 0,17;
Рт — тормозной вес электровоза (для шахтных электровозов значения весов — полного Р, сцепного Рс и тормозного Рт — обычно совпадают);
(Огр — удельное сопротивление груженой вагонетки при движении (6— 7 кгс/тс);
ат — тормозное замедление, определяемое в зависимости от скорости ст начала торможения, которая не должна превышать 10 км/ч, и длины s пути торможения (при движении на руководящем спуске — не более Юм):
Принятый вес состава проверяют по нагреванию тяговых двигателей за время рейса.
Канатная откатка (рис. 154) производится одно-и двухбарабанными лебедками 1, устанавливаемыми в специальных камерах, двумя способами: концевым канатом и бесконечным канатом с натяжным устройством 3.
При первом способе (рис. 154, а) состав, состоящий только из груженых или только из порожних вагонеток, оттаскивают головным канатом 4 от забоя или подтягивают хвостовым канатом 2 к забою. Скорость движения состава не должна превышать 1,5 м/с. Для предотвращения быстрого износа головного каната служат ролики, закрепленные на шпалах по оси пути; хвостовой канат поддерживается роликами, закрепленными на стойках крепежных рам.
Применение описанного способа откатки возможно как в однопутных, так и в двухпутных выработках и целесообразно при длине откатки до 300 м и небольшой производительности (до 200 т в смену). К недостаткам способа относятся: необходимость в специальных станциях отправления и приема, сложность обслуживания, а также громоздкость двигателей при большой длине откатки.
Во втором случае при откатке бесконечным канатом (рис. 154, б) одновременно осуществляется движение и грузовых, и порожних вагонеток, прицепляемых (на расстоянии не менее 5 м друг от друга) специальными устройствами к ветвям каната, двигающимся соответственно от забоя и к забою со скоростью не более 1 м/с.
В качестве простейшего устройства такого рода применяют «баранчик» 1<вис. 155, а) с цепью, легко набрасываемый и снимаемый на ходу и закреп-Яяёмый на канате 1 за счет его перегиба.
Бесконечный канат 1 поддерживается с помощью спаренных зубчатых рсыиков 2 (рис. 155, б), закрепленных к верхнякам крепежных рам и свободно пропускающих прицепные приспособления вагонеток.
Откатка бесконечным канатом возможна лишь в двухпутных выработках целесообразна при длине откатки до 450 м. Ее преимущество по сравнению Е откаткой концевым канатом заключается в том, что производительность к зависит от длины откатки. К недостаткам откатки бесконечным канатом росятся большая трудоемкость, необходимость расширения парка вагоне-ж и пониженная безопасность.
Канатную откатку рационально применять в наклонных выработках S3 уклоне более 30°/оо, а также на коротких участках (взамен ручной •гхатки).
Область применения ручной откатки ограничена подачей порожняка под погрузку на расстояние до 30 м, перемещением вагонеток в коротких попереч-^.-г выработках и в начальный период работ при длине откатки до 100 м. Расстояние между вагонетками при ручной откатке должно быть не менее 30 м жэг уклоне более 5°/00. При меньшем уклоне это расстояние может быть уменьшено до 10 м.
Безрельсовый транспорт. Прогрессивным направлением в организации подземного транспорта является применение автомобилей-самосвалов в сочетании с погрузкой породы экскаваторами или машинами ПНБ-ЗК на гусеничном ходу. Преимущество автосамосвалов заключается в их езависимости от энергетических коммуникаций (контактного провода, труб сжатого воздуха) и отсутствии необходимости в рельсовых путях, вагонетках, мектровозах и разгрузочных устройствах на месте отвала.
Поэтому в настоящее время тоннели больших сечений (автодорожные, жухпутные железнодорожные, строительные тоннели крупных гидроэлектростанций и т. п.), как правило, строят с применением автомобильного транспорта. При транспорте материалов и породы автосамосвалами обеспечиваются комплексная механизация процесса проходки и возведения обделки и сокраще-вае срока строительства.
Ядовитые газы (окись углерода, окислы азота, акролеин н т. п.), образую-жгеся при неполном сгорании топлива в двигателях внутреннего сгорания, сально ухудшают состав воздуха в выработке. Поэтому дизельные двигатели гредпочтительнее карбюраторных, так как основные компоненты выделяемых кмн выхлопных газов (окислы, азота, акролеин и сернистый газ) хорошо растворяются в воде, а сажа частично поглощается стенами выработки. Кроме того, дэзельные двигатели экономичнее карбюраторных.
Снижению концентрации ядовитых газов способствует применение на жьплопе автомашин газоочистителей-нейтрализаторов (каталитических или пакостных) и усиление вентиляции выработки.
Действие каталитических нейтрализаторов основано на окислении продуктов неполного сгорания топлива, происходящем в присутствии катализатора при температуре выхлопных газов не ниже 225ь С. Однако более 50% времени работы автомобилей в тоннеле занимают езда порожняком и маневры у забоя на режимах, при которых температура выхлопных газов не превышает 100—140° С. Применение каталитических нейтрализаторов в этих условиях малоэффективно.
Действие жидкостных нейтрализаторов основано на пропускании отработавших газов через водные растворы, поглощающие значительную часть вредных составляющих. К недостаткам жидкостных нейтрализаторов относятся громоздкость, большая масса и нейтральность в отношении окиси углерода. Тем не менее их применение вполне оправдано для большегрузных дизельных машин.
Наиболее распространенные прв строительстве тоннелей большого сечения дизельные автосамосвалы МАЗ-503 (грузоподъемность 7 тс, скорость движения в тоннеле 15 км/ч, наименьший радиус поворота 7,5 м) оборудованы жидкостными нейтрализаторами НТЖ-3, работающими на 10-процевтном растворе углекислой соды NaHCOs. Эти нейтрализаторы снижают суммарную токсичность выхлопных газов на 65—70% н хорошо работают при любой температуре.
Для двухполосного движения самосвалов тоннель должен иметь ширину не менее 6 м. Для поворота самосвалов при изменении направления их движения служит стальная плита (платформа), укладываемая в выработке и переносимая вслед за продвижением забоя. Самосвал поворачивается на плите с помощью лебедки на 180° и подходит под погрузку задним ходом.
В зарубежной практике применяют также автомобили-самосвалы особой конструкции, изменяющие направление движения без разворота на платформе, что значительно упрощает организацию транспорта.
Для выдачи породы из забоя могут быть применены также ленточные и скребковые транспортеры. Транспортеры обладают высокой производительностью, занимают сравнительно мало места и могут применяться в узких выработках, где их располагают у одной из стен. Однако для подачи необходимых материалов при этом нужен рельсовый путь. Поэтому в практике тоннельного строительства транспортеры применяют сравнительно редко, главным образом в качестве промежуточного звена между погрузочной машиной и вагонеткой, обеспечивающего бесперебойную загрузку состава породой.
Глава 13
СООРУЖЕНИЕ ТОННЕЛЕЙ ГОРНЫМ СПОСОБОМ
§ 55. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Сооружение тоннеля состоит из двух основных процессов: проход- у. т. е. раскрытия выработки с установкой в случае необходимости времен-я№. крепи, и возведения стен и свода обделки. В зависимости от и; актер а сооружения и геотехнических условий эти процессы выполняются s различной последовательности и по-разному развертываются по длине выработки, чем определяется способ производства работ.
Существующие способы производства работ по сооружению тоннелей могут быть разделены на три группы, характеризующиеся следующими особен-жстями:
1. Сечение целиком (за один прием или по частям) освобождают от поро-X после чего в выработке полного сечения сооружают стены 1 и свод 2 об-*.тки (рис. 156, а).
2. В первую очередь раскрывают и закрепляют калотту, в которой возводят свод /, опираемый непосредственно на породу (рис. 156, б). После раз-^абэтки средней штроссы или через колодцы, проходимые из калотты, выни-ж2.ют породу из-под пят свода и отдельными столбами подводят стены 2.
3. Стены 1 обделки сооружают в штольнях, после чего раскрывают калот-т-. з которой возводят свод 2, опираемый на стены (рис. 156, в). Под защи-“Оё свода удаляют ядро породы, служащее вовремя проходки штолен и калот-ты опорой временной крепи.
Развертывание операций, входящих в процесс сооружения тоннеля, определяется конкретными условиями. При поточной системе все операции по рас-жт-ытию сечения и возведению обделки выполняют параллельно в ряде рабочих «ст. распределенных по длине выработки. По мере продвижения опережающего зжюя за ним перемещается поступательно участок, на котором производят работы. При кольцевой системе все основные операции выполняют последовательно в пределах одного кольца, длину которого назначают в соответствии с геотехническими условиями таким образом, чтобы не допустить значительных остаточных деформаций кровли выработки и связанного с ними развития гт-рного давления. Возможна и смешанная система, при которой часть операций «жтюлняют последовательно в пределах кольца, а остальные операции — параллельно по поточной системе.
К первой группе способов производства работ относятся способы: полностью раскрытого сечения (поточный и кольцевой варианты), сплошного забоя, ступенчатого забоя, центральной штольни, подсводного разреза, нижнего верхнего уступов; ко второй группе — способ опертого свода (варианты двух-втольневой, одноштольневой и с опережающей калоттой); к третьей группе — сюсоб опорного ядра.
Способ производства работ выбирают в зависимости от геологических и гидрогеологических особенностей горного массива, размеров поперечного се-чеяия и длины тоннеля, а также от местных условий (сроки строительства,
156. Основные варианты последовательности выполнения работ при постройке тоннеля
возможности механизации работ, наличие крепежных материалов и квалифицированной рабочей силы). При этом наибольшее влияние на выбор решения имеют свойства (в первую очередь крепость) окружающих пород, определяющие конструкцию временной крепи. В этом отношении принято делить породы на слабые, мягкие, полускальные и скальные.
В слабых (пески, супеси), мягких (суглинки, глины) и полускальных (мергели, обводненные глинистые сланцы) породах возможно развитие большого горного давления. Поэтому для его уменьшения сечение выработки расчленяют на сравнительно мелкие части, немедленно закрепляемые временной (преимущественно деревянной) крепью, исключающей возможность обрушения породы. Наличие многочисленных элементов крепи стесняет выработку и ограничивает возможности механизации работ.
Разработку породы в этих условиях производят обычно с помощью ручных и пневматических инструментов, погрузку ее — вручную или малогабаритными погрузочными устройствами и машинами. Возведение обделки, связанное с удалением временной крепи, выполняют также вручную с подачей бетонной смеси в вагонетках, так как для эффективного применения бетоноукладочных машин отсутствует достаточный фронт работ.
В скальных породах возможно расчленение сечения на более крупные части или даже раскрытие выработки в один прием. При этом временную (деревянную или стальную) крепь устанавливают лишь по контуру выработки, внутреннее пространство которой остается свободным. Благодаря этому работы могут быть в значительной степени механизированы. Породу разрабатывают, как правило, буровзрывным способом с применением высокопроизводительных бурильных машин. Погрузку породы в вагонетки большого объема или автосамосвалы осуществляют погрузочными машинами или экскаваторами на гусеничном ходу. При бетонировании обделки применяют передвижные металлические формы, создающие фронт работ, достаточный для применения бетоноукладочных машин.
§ 56. СООРУЖЕНИЕ ТОННЕЛЕЙ В ПОЛУСКАЛЬНЫХ, МЯГКИХ И СЛАБЫХ ПОРОДАХ
В полускальных и мягких породах для сооружения тоннелей применяют преимущественно способ опертого свода, реже — способ полностью раскрытого сечения, в слабых породах — способ опорного ядра. Закрепляют выработки обычно с помощью деревянной веерной крепи, получившей свое название по расположению стоек (штендеров), поддерживающих кровлю и лежащих в одной плоскости, в направлении от середины к контуру сечения. Примером такой крепи является крепь калотты, рассмотренная в § 47.
Способ полностью раскрытого сечения. Этот способ применяют в двух вариантах: с поточным или кольцевым развертыванием работ по длине выработки.
В первом случае (рис. 157) раскрытие сечения начинают с рассечки верхней штольни 2, производимой из нижней направляющей штольни 1. После
7 - стены и свод 9-обратный сВоЗ
Рис. 157. Поточный вариант способа полностью раскрытого сечения
158. Подготовка основания полной крепи выработки
F-4: 159. Схема полной крепи выработки
сроходки верхней штольни не менее чем на три кольца каждое длиной <4 м га не более чем на 40—50 м) производят раскрытие малой калотты 3, а после зродвижения забоя штольни еще на три кольца — большой калотты 4 с соответствующим понижением подошвы выработки (см. рис. 120 и 121). Стойки еггольневых рам и ферм малой калотты располагают в разных плоскостях в со-стьетствии со схемой полной крепи выработки, показанной на рис. 159.
Следующей стадией работ является подготовка основания в нижней штоль-=е для опирания крепи полностью раскрытой выработки. Для этого в плоскости ферм малой калотты укладывают лежаки — бревна диаметром до 50 см, отесанные на два канта. Верх лежаков должен совпадать с верхом лежней рам «жней штольни (рис. 158).
После выломки штроцетты 5 (см. рис. 157) устанавливают средние яодшвеллерные столбы так, чтобы они составляли продолжение первых стоек «штендеров) фермы большой калотты, поддерживающих наиболее нагруженные зрогоны. Далее от центра к периферии кольца производят разработку боковых частей штроссы 6 с постановкой подшвеллерных столбов, вторую пару которых ставят вертикально (рис. 159). Введение подшвеллерных столбов в работу достигается забивкой клиньев между их верхними концами (столбы ставят широкой частью кверху) и нижней гранью швеллера большой калотты. При зомощи подшвеллерных столбов полностью воспринимается и передается на лежаки нагрузка, действующая на крепь большой калотты.
По мере разработки частей штроссы, примыкающих к контуру выработки. устанавливают новые пары прогонов, распираемых при помощи подкосов а подшвеллерные столбы, между которыми забивают горизонтальные распорки. обеспечивающие поперечную передачу бокового давления.
Установку крепи ведут последовательно от середины кольца в обе стороны с постепенной передачей нагрузки на тоннельные фермы полного профиля. Все элементы полученной таким образом полной тоннельной фермы распирает в продольном направлении с помощью распорок, устанавливаемых «в шор» • соединяемых скобами.
Сооружение обделки 7 (см. рис. 157) начинают с подготовки под фундаменты стен и бетонирования последних с оставлением опорных площадок • штраб) для примыкания обратного свода 9. Стены бетонируют по лекалам, устанавливаемым через 70—100 см между тоннельными фермами, с постепенным наращиванием дощатой опалубки и удалением подкосов, коротышей и прогонов. По окончании бетонирования стен устанавливают кружала свода.
Деревянные кружала устраивают с сечением в три доски из косяков толщиной 5—7 см, соединенных нагелями с накладками, и опирают на клинья. Лои установке кружал в замке необходимо обеспечить запас на осадку, равный 0,5—1% величины пролета (в зависимости от горного давления) и уменьшаемый до нуля у пят свода.
Стальные кружала арочного типа (из прокатных профилей) более целесообразны, чем деревянные. Их достоинствами являются легкость, компактность и экономичность, возрастающая с увеличением длины тоннеля в связи с возможностью многократного использования.
Кружала опираются на продольные брусья, укладываемые по швеллерам большой калотты, и поддерживаются подкружальной крепью. После постановки между кружалами и всеми верхними прогонами надкружальных стоек-коротышей («мальчиков») нагрузка от горного давления передаетеся на кружала и отпадает необходимость в стойках большой калотты, которые снимают по мере бетонирования свода. Последнее ведется радиальными слоями толщиной 20—30 см с постепенной укладкой досок опалубки.
При расстоянии между кружалами до 100 см доски опалубки должны иметь толщину 5—7 см и ширину до 15 см для получения более правильной поверхности обделки. По тем же соображениям доски простругивают со стороны бетона.
По мере бетонирования удаляют коротыши 3 и верхние прогоны 1 (рис. 160). Перед снятием прогона середину опирающихся на него досок поддерживают при помощи поперечины, подпертой вспомогательными коротышами 2. Прогон вытягивают в соседнее кольцо выработки и бетонирование продолжают до ряда вспомогательных коротышей. После снятия последних бетонную смесь укладывают до следующего верхнего прогона, и процесс повторяется. Перерыв в укладке отдельных слоев бетонной смеси при температуре 15—20° С не должен превышать соответственно 3—2 ч, так как каждый последующий слой должен быть уплотнен до начала схватывания ранее уложенного слоя.
Когда бетонная смесь уложена до первой пары прогонов, поддерживающих верхний, производят замыкание свода (рис. 161). Средние части верхняков бетонируемого кольца подхватывают двумя длинными досками, опирающимися на кружала с помощью коротышей. После снятия одного из прогонов бетонную смесь укладывают до линии коротышей, затем то же самое делают с другой стороны. Последним этапом является снятие поддерживающих досок и коротышей. Дальнейшее бетонирование ведут в продольном направлении с последовательной установкой досок опалубки и между смежными кружалами. Свод раскружаливают в сроки, установленные нормами, путем симметричного выбивания клиньев из-под стоек, поддерживающих кружала.
Породу в месте обратного свода разрабатывают короткими участками (длиной не более половины длины кольца) для предотвращения возможного выпирания грунта из-под стен обделки или их горизонтального сдвига. При значительном боковом давлении между фундаментами стен устанавливают распорки.
Схема развертывания работ по длине выработки показана на рис. 157. Длина зоны, иа протяжении которой производят одинаковые работы, занимает одно—три кольца. Общая длина участка расширения (не считая участка сооружения обратного свода) составляет до 18 колец.
Рис. 160. Бетонирование свода со снятием элементов крепи 176
Рнс. 161. Замыкание свода
При встрече слабых пород длины рабочих зон укорачивают, чтобы можно было соорудить обделку раньше чем смещения породы, вызванные проходкой ятольни, распространятся до проектного контура «работки.
При поточном способе рабочие зоны расположены «прерывно и в каждой из них работают от одной до трех рабочих бригад, выполняющих одинаковые операции.
К достоинствам этого способа относятся: расчленение общего забоя выработки на ряд низких забоев, яе требующих крепления; наличие широкого фронта работ, позволяющего при малых возможностях для еханизации одновременно использовать большое ко-
Рис. 162. Кольцевой вариант способа полностью раскрытого сечения
лачество рабочей силы; сравнительно быстрое продвижение забоя в связи с одновременной работой в нескольких кольцах зоны; монолитность обделки,
ветонируемой без перерыва в пределах кольца.
При рабочей зоне, состоящей из одного—трех колец длиной по 4 м, выработка полной ширины, находящаяся на временной крепи, имеет протяжение ег 20 до 60 м. Однако это не представляет опасности, так как величина горного «вления определяется не длиной, а шириной выработки. Имеет значение про-лолжнтельность нахождения выработки на временной крепи. При достаточной старости продвижения забоя промежуток между разработкой и окончанием ветонирования при этом способе невелик. В случае необходимости он может йьть сокращен уменьшением длины рабочей зоны до одного кольца.
Описанный способ применяется довольно редко, так как имеет серьезные «достатки. Конструкция временной крепи очень сложна и требует большого расхода дорогого крепежного леса. Большое число перекреплений при передаче нагрузки от горного давления с крепи меньшей выработки на крепь боль-гей выработки вызывает неизбежные осадки кронли вследствие вдавливания веллеров и лежаков в породу, обмятия врубок и клиньев и т. п. (до 5—10 см 1 более на одно перекрепление). Сложность работ и загромождение выработки
крепью исключают возможность механизации производственных процессов. Поэтому данный способ не применяется при современных скоростных проходжах и совершенно недопустим в городских условиях, где должны быть исключены осадки поверхности. Областью его применения является проходка корот-<ах тоннелей сечением до 60 м2 в неводоносных глинистых грунтах до IV категории по классификации СНиП, если необходимо быстро возвести обделку пол-сго профиля (например, при значительном боковом давлении) при малых воз-
жжностях для механизации.
В устойчивых неводоносных породах IV—V категорий по СНиП, оказывающих на крепь вертикальное и небольшое боковое давление, но не допускаю-жех безопасного раскрытия длинной выработки (например, в тоннелях, идущих ас- простиранию пласта), все процессы по проходке и возведению обделки могут Еьть сосредоточены в пределах одного кольца. Длину кольца в этом случае жргнимают уменьшенной до 3—4 м, чтобы избежать необходимости в постановке промежуточных тоннельных ферм и ограничиться лишь торцовыми фер-«дои. При этом забой выработки имеет полную высоту и закрепляют его в не-гзатько этапов в процессе проходки, последовательность которой на рис. 162 пузана цифрами.
Сущность кольцевого варианта способа полностью раскрытого сечения включается в следующем. Из нижней направляющей штольни 1, служащей хдя открытия промежуточных забоев по расширению сечения, производят рассечку верхней штольни 2 на длину, несколько превышающую длину кольца •Сделки. Крепь верхней штольни берут на подхват, состоящий из первой пары грсгонов, опирающихся на наклонные стойки, опорные площадки которых вподятся за пределами разрабатываемого кольца (рис. 163). Затем раскрывает калотту с установкой следующих пар прогонов, поддерживаемых по кон
цам аналогично первой паре. За наклонные стойки 1 заводят доски 5 лобовой крепи.
В раскрытой и закрепленной калотте укладывают швеллеры 2 (составные брусья, параллельные забоям), которые распирают длинными распорками (расстрелами) 4. Между концами прогонов и швеллерами устанавливают вертикальные стойки (штендеры) 3, образующие торцовую ферму.
Следующим этапом является разработка верхней части штроссы. Для этого предварительно отрывают колодцы у швеллеров и под них на клиньях 7 и подкладках 6 подводят наклонные стойки. После выемки породы до уровня низа наклонных стоек укладывают новую пару швеллеров, распираемых расстрелами и вертикальными стойками, и операции по проходке и креплению торцов и стен выработки продолжают до низа последней. В образовавшемся пространстве возводят кольцо обделки.
Достоинства кольцевого варианта заключаются в быстром выполнении всего комплекса работ — от проходки до замыкания кольца обделки—в выработке сравнительно небольшого протяжения, в связи с чем горное давление не получает такого развития, как при поточном варианте, а также в удобстве работ по возведению обделки в пространстве, не загроможденном поперечной крепью.
Последнее обстоятельство особенно важно при монтаже первых трех колец сборной обделки камеры блокоукладчика, используемого при дальнейшей проходке тоннеля полным сечением (см. § 102).
Недостатки способа —необходимость крепления в каждом кольце забоя на полную высоту и трудность удаления верхних прогонов при бетонировании свода, так как рядом с бетонируемым кольцом нет раскрытого кольца.
Способ опертого свода. Этот способ применяется при наличии в подошве калотты достаточно устойчивых пород III категории и выше, позволяющих опереть на них свод обделки без его существенных осадок.
Идея способа заключается в предотвращении осадок кровли и развития горного давления путем быстрого возведения постоянной крепи-обделки.
При двухштольневом варианте этого способа (рис. 164), применяемом в случае сооружения длинных тоннелей (требующих развития широкого фронта работ) или коротких тоннелей в водоносных породах, после рассечки верхней штольни 2, проводимой из направляющей штольни 1, раскрывают калотту 3 с последующим возведением свода 4. Чтобы избежать понижения подошвы штольни, связанного с необходимостью перекреплений, ведущих к осадкам, высоту верхней штольни принимают максимальной, а при раскрытии калотты ведут разработку породы по бокам до уровня намеченных пят свода.
Калотты длиной не более 6,5 м раскрывают с промежутками в одно—три кольца, чтобы ограничить возможности развития горного давления и избежать
Рис. 163. Полная крепь выработки
Рис. 164. Двухштольневой вариант способа опертого свода
жвреждения ранее забетонированных сводов. Разработка породы рядом с такими сводами допускается, когда прочность их достигает не менее 60% юоектной (примерно через 7—8 суток).
Для обеспечения вентиляции калотт, а также для создания запасных вы-едов и подачи длинномерных материалов нижнюю и верхнюю штольни соединяют не реже чем через 30 м наклонными ходками и не реже чем через 12 м жртикальными ходками для сбрасывания породы.
После раскрытия калотты (рис. 165) устанавливают кружала 2 на клиньях 5 с передачей на них'через коротыши 1 давления, действующего на крепь ка-лтты, под пяты свода укладывают выравнивающий слой тощего бетона 4 тол-каной около 10 см или доски, под нижние прогоны ставят бетонные коротыши 3 сэод бетонируют от пят к замку описанным выше способом. Следует отметить, при раскрытии калотт в шахматном порядке удаление прогонов во время бетонирования часто требует их распиливания на части. В тех случаях, когда удаление прогонов связано с опасностью осадок кровли, прогоны при раскры--т?. калотты располагают за проектным очертанием конструкции и при бе-тзировании оставляют за обделкой.
После достижения сводом проектной прочности производят его раскружалн-згние и разработку средней штроссы 5 (см. рис. 164), откосы которой назначают в скальных породах не круче 1 : 0,1, а в мягких породах не круче 1 : 0,5. j пят свода следует оставлять нетронутые бермы шириной не менее 0,25—1 м з зависимости от крепости пород (рис. 166). В глинах, а также в скальных городах с прослойками слабых или сильно трещиноватых пород необходимо ременное крепление обнаженных поверхностей штросс.
Из средней штроссы 5 (см. рис. 164) делают боковые заходки 6 и 8 под пяты сэсда и в них отдельными столбами бетонируют стены 7 и 9. Последний этап — эазработка основания 10 и сооружение обратного свода 11. В первую очередь эсдводят стены под стыки между кольцами свода таким образом, чтобы одновременно не обнажалось более одного угла кольца. Длину заходки обычно гр внимают равной половине длины кольца, она не должна превышать его подвей длины. После того как стыки между кольцами свода будут оперты на столбы. подводят стены в промежутках, в результате чего образуется сплошная
Рис. 166. Подводка стен:
— ведало; 2 — подкос; 3 — откос средней штроссы;
4 — брус; 5 — подготовка
стена. На рис. 167 цифрами показана очередность подводки столбов тремя бригадами, перемещающимися вдоль выработки. Подводка столба с правой стороны допускается после того, как прочность бетона столба левой стороны достигнет 60% проектной, т. е. примерно через 8 суток после введения его в работу.
Пяты свода при выемке из-под них пород III—IV категорий следует поддерживать не менее чем двумя подкосами диаметром 28—30 см (ш т р е б е-л я м и), опирающимися на продольные брусья.
Стены выработки в случае необходимости закрепляют досками, поддерживаемыми прогонами. Прогоны заводят концами в лунки, пробитые в нетронутой породе, или за столбы первой очереди, а в недостаточно устойчивых породах опирают на подкосы (см. рис. 166).
Перед бетонированием столба с пятовых поверхностей свода сбивают тощий бетон. Бетонирование производят с применением деревянных или стальных лекал, прикрепляемых к подкосам или штырям, выпущенным из свода и ранее забетонированного фундамента столба.
Особенно ответственной операцией является примыкание бетона столба к поверхности пят свода. Чтобы в последующем не произошла осадка свода, необходимо обеспечить полную монолитность конструкции.
Бетон столба не доводят примерно на 20—40 см до пят свода и его поверхности придают горизонтальное положение. После выдерживания бетона в течение двух суток зазор забивают тонкими наклонными слоями жесткой бетонной смеси с тщательным трамбованием. Целесообразно нагнетать цементный раствор через металлические трубки, заложенные в стыке.
В породах, где открытие средней штроссы сопряжено с опасностью нарушения устойчивости пят свода, стены можно подводить к колодцах из калотты. Обычно достаточно подвести таким образом лишь столбы под стыки между кольцами, после чего промежуточные столбы можно сооружать из средней штроссы.
При наличии притока воды иногда требуется уложить в первую очередь обратный свод для предотвращения пучения породы со стороны подошвы выработки. В этом случае целесообразно разрабатывать штроссу поступательным забоем с креплением обнаженных поверхностей забивными досками и поддержанием свода стойками. Бетонирование стен, опираемых на обратный свод, следует при этом за выемкой грунта на расстоянии не более 3 м.
К достоинствам способа опертого свода относятся: быстрое закрепление постоянной обделкой кровли выработки и уменьшение ее осадок вследствие сокращения числа перекреплений до двух; простота и жесткость калоттной крепи, имеющей сравнительно небольшую высоту; безопасность работ под готовым свободом; незначительные осадки поверхности, что особенно важно прв
сооружении тоннеля в населенном пункте.
Основным недостатком способа является необходимость подводки стен под свод, обладающий значительной жесткостью и весьма чувствительный к неравномерным осадкам, а также возможность возникновения при этом деформация свода под действием бокового давления породы. Для исключения осадок свода необходимо строго соблюдать очередность подводки стен, разрабатывать штроссу без применения взрывных работ непосредственно под пятами свода, доби-
1л А?
Г Г ]7| V Г;г 131 ; /1JI ;г I з ШтТ *!?!. И. Г1 И?!
Рис. 167. Очередность подводки стен
ваться плотного примыкания стен я своду. В некоторых случаях целесообразно устраивать уширенные по сравнению со стенами пяты свода для обеспечения его частичного опирания на породу во время подводки.
Двухштольневой вариант способа опертого свода применяют в мало-сжимаемых мягких и средней крепости скальных породах при отсутствия существенного бокового давления.
Способ опертого свода может быть применен также в одноштольневом ва-|«анте с верхней направляющей штольней, особенности применения которой «зложены в § 43 (рис. 168).
Применение верхней штольпи 1 в качестве направляющей исключает воз-ожность раскрытия на ее базе промежуточных забоев расширения. Поэтому расширение сечения происходит с двух порталов встречными забоями.
По мере продвижения вперед забоя верхней штольни раскрывают калот-з» 2 и бетонируют своды 3 в шахматном порядке через одно—три кольца. Транс-юрт породы по верхней штольне осуществляется в вагонетках по рельсовому г.ти или, что более целесообразно, при помощи ленточного транспортера, рас-олагаемого в продольной канаве под полом верхней штольни.
После раскружаливания свода и разработки средней штроссы 4 вынимают вековые штроссы 5 и 7 и подводят стены 6 и 8 приемами, изложенными выше.
Для удобного совмещения работ в забоях калотты и штроссы устраивают гпдвесной потолок (рис. 169), состоящий из поперечин 1, подвесок 3 с винто-к*ми стяжками 2 и прогонов 4. Потолок используют для доставки материалов s калотту и транспорта породы к бункеру, перемещаемому на нижнем уровне применяемому для перегрузки породы с верхнего горизонта в вагонетки.
Возможен вариант, при котором проходку калотты с бетонированием оэда выполняют на всем протяжении тоннеля до сбойки выработок. Только эхле этого начинают разработку штроссы и подводку стен. Такой порядок узбот исключает необходимость в подвесном потолке и значительно упрощает организацию работ.
Достоинством одноштольневого варианта способа опертого свода является сокращение расходов по проходке штолен и раскрытие калотты в ненару-гэенной породе. Недостатки варианта вытекают из недостатков верхней штольни как опережающей выработки.
Одноштольневый вариант способа опертого свода целесообразно применять ери сооружении коротких (до 300 м) тоннелей в крепких сухих породах при условии взрывания боковых штросс малыми зарядами низкобризантных ВВ.
Способ опорного ядра. В тех случаях, когда прочность породы недостаточна для опирания на нее свода, а другие способы (например, способ полностью раскрытого сечения) могут вызывать недопустимые осадки поверхности, можно применять способ опорного ядра. Сущ-вхть способа сводится к разработке породы по гзнтуру выработки с опиранием крепи на ненарушенную породу в средней части сечения и возведением обделки по частям, начиная со стен.
В основном варианте способа (рис. 170) ъ месте намеченного расположения стен обделки -доходят штольни 1 на всю длину сооружаемого участка тоннеля, в которых бетонируют нижние части 2 стен. В широких штольнях, где рядом со стеной может разместиться рельсовая т-злея (на рис. 170 показана справа), проходка и бетонирование могут быть совмещены. Чаще по- -"ёречный размер выработки не позволяет раскрыть штольни такой ширины, так как иначе
Рис. 169. Подвесной потолок для транспорта породы и материалов
Рис. 170. Способ опорного ядра
ядро получится слишком узким сравнительно с высотой и возникнет опасность его сползания в сторону. В этом случае проходку штолен и бетонирование чередуют. После продвижения штольни на всю длину сооружаемого участка тоннеля бетонируют стены в направлении от забоя штольни к выходу из нее (на рис. 170 показано слева).
Сооружение стен требует обычно не менее двух ярусов штолен. Штольни 3 верхнего яруса проходят после заполнения породой пространства между забетонированной нижней частью стены и штольневой крепью для предотвращения подвижек породы в ядре. Бетонируют верхнюю
часть 4 стены. Следующим этапом работ является проходка верхней штольни 5, на базе которой раскрывают калотту 6 кольцами длиной не более 4 м (в неблагоприятных геологических условиях — до 2 м) в шахматном порядке с интервалами в два-три кольца. Бетонирование свода 7 выполняют с опиранием его на готовые стены. Ядро 8 вынимают механизированным способом
под прикрытием свода после раскружаливания его на всем протяжении участка работ. При достаточной ширине выработки и ее сечения более 40 м-целесообразно по оси тоннеля проходить нижнюю транспортную штольню, используемую для разбивочных работ, откатки породы и устройства подходов к боковым штольням.
При способе опорного ядра, как правило, устраивают обратный свод 10. бетонируемый в поперечных траншеях 9, ширина которых не должна превышать половины длины кольца обделки. Для предотвращения сдвига стен обделки внутрь выработки между стенами устанавливают распорки из бревен (тира н-т ы), используемые для размещения откаточных путей и деревянного желоба, являющегося продолжением водоотводной канавы. Очередную траншею псс обратный свод разрабатывают не раньше чем будет забетонирован обратный свод на смежном участке.
К достоинствам способа опорного ядра следует отнести его надежность, обеспечивающую безопасность проходки в самых сложных геологических условиях, а также возможность сооружения обделки без подводки ее элементов, начиная со стен, и хорошее осушение массива. В случае необходимости можне в первую очередь сооружать обратный свод в поперечных сбойках между предельными штольнями.
К недостаткам способа опорного ядра относятся его неэкономичность, связанная с разработкой большой части сечения в штольнях, стесненность рабе*, затрудняющая достижение высокого качества обделки (особенно при налич; ' большого числа рабочих швов), и низкая скорость сооружения тоннеля.
Способ опорного ядра применяют там, где вопросы экономики отступают на второй план, а именно: при проходке коротких (до 300 м) участков' тоннелей в слабых породах I—III категорий, особенно в городских условиях, где совершенно недопустимы осадки поверхности; при сооружении тоннелей больших сечений (при пролетах выработки более 15 м и высоте стен более 10 м) в крепких, но недостаточно устойчивых породах, когда способ опорного ядра может оказаться достаточно экономичным, так как ядро, разрабатываем,.»: в благоприятных условиях, составляет большую часть сечения; при восстансь-лении разрушенных тоннелей, в особенности при наличии в завале остатке? обделки и подвижного состава, обусловливающих необходимость проходки г контуру выработки.
Требования к временной крепи подземных выработок, раскрываемых г» частям. Окончательную величину горного давления, развивающегося при раскрытии выработки, определяют в зависимости от пролета выработки и коэфее -циента крепости породы, учитывающего ее основные свойства и состояние Чтобы горное давление возросло до этой величины, требуется время, котор *
□жет быть больше или меньше в зависимости от выбранного способа проход-ж и качества производства работ по выемке породы и ее замене сначала временной, а затем постоянной крепью.
Несвоевременное и низкокачественное закрепление выработки, примене-ве плохо подогнанных и недостаточно напряженных крепей, оставление устот за элементами крепи ведут к осадкам окружающей породы и развитию • ней смещений, быстро распространяющихся до границ расчетного свода давления. Соблюдение мероприятий, обеспечивающих уменьшение осадок породы » минимума, позволяет снизить скорость нарастания горного давления и соору-оргть постоянную обделку в благоприятных условиях.
Чем меньше промежуток времени между раскрытием выработки и возведением в ней тоннельной обделки, тем меньше стоимость тоннеля и возникающие при постройке трудности.
Эго положение является основным правилом, выполнение которого при высоком качестве работ обеспечивает успех проходки. Возможность недопущения осадок кровли и развития смещений породы в значительной степени зависят от принятой системы временной крепи.
Рациональная крепь должна обеспечивать выемку породы в пределах проектного контура с минимальными переборами; быть достаточно жесткой и невменяемой в поперечном и продольном направлениях; устанавливаться снизу вверх без перекреплений, служащих причиной осадок; занимать как можно еныне места, чтобы обеспечить удобства выполнения других работ; служить ее только крепью, но и кружалами для бетонирования тоннельной обделки, всключая необходимость в специальных конструкциях, загромождающих выработку; допускать (в соответствии с изменениями геологических условий) вменение несущей способности (например, введением в ее состав дополнитель-дх элементов); быть достаточно простой и допускать многократное использование.
Обычная деревянная крепь, применяемая при проходке в мягких и слабых вородах, не удовлетворяет поставленным требованиям. Поэтому представляют большой интерес попытки создания инвентарной стальной крепи, совмещенной с кружалами для бетонирования обделки с забивкой (или закладкой) досок продольном направлении.
В зарубежной практике имеет широкое распространение крепь, основные особен-жсти которой приведены ниже. Из металла выполняют основные дуги, выполняющие •оль поперечной крепи и кружал, нз дерева — подпорки, поддерживающие дуги в промежуточных точках и позволяющие уменьшить размеры их поперечных сечений при со-панении необходимой жесткости, а также лежни, служащие для распределения давления на пол выработки (рис. 171).
Основой крепи является кружальная дуга 3, состоящая из двух швеллеров с прокладками из коротких двутавров. Обычно эта дуга состоит из двух — четырех элемента». соединяемых между собой швеллерными накладками на болтах. Нижний конец Искового элемента дуги снабжен башмаком из стальной плиты с приклепанными к иен
ттолками.
Дуга подпирается стойками6, опирающимися через башмаки 7 на лежни 8. По нижней кэерхиости дуги прикреплены башмаки из швеллеров или уголков, обеспечивающие вддежиое примыкание стоек и подкосов 4. Затяжка 5 из двух швеллеров, врезанных
s стойки, служит опорой для рабочих подмостей из досок. Продольная устойчивость кре-жи обеспечивается распорками •езеду дугами.
Забивные доски, распо-дэгаемые вдоль тоннеля, опираются иа дугу 2 из перевер-тутых подошвами вверх руд-«чных рельсов, соединенных закладками, Эта дуга носит •дззаннс проходческой передает давление иа кружальную дугу при помощи так называемых «наездии-г-а» /, которые могут быть
Рис. 171. Инвентарная крепь калотты
Рис. 172. Крепь забоя:
/ — продольный подхват; 2 — прокладка; 3 — клинья; 4— распорка; 5 — подмости; S — затяжка, врезанная в стойки; 7 — забойная крепь; 8 — поперечный подхват
Рис. 173. «Наездник»:
1 — доски; 2 — клинья; 3 — проходческая дута; 4 — кружальная дуга; 5 — швеллер; 6 — косынка; 7 — отрезок швеллера; 8 — прокладки; 9 — клинья
установлены в любом месте дуги, а также выдвинуты в радиальном направлении. Возможность увеличения числа «наездников» позволяет приспосабливаться к изменяющимся
геологическим условиям, а выдвижение их в радиальном направлении позволяет изменять толщину свода.
Вследствие небольшой высоты проходческой дуги (7—9 см) доскам, забиваемым в продольном направлении, сразу придают окончательное положение (рис. 172). Этим устраняются переборы и достигается плотное примыкание крепи к кровле.
«Наездник» (рис. 173) состоит из двух швеллеров 5, образующих совместно с двумя поперечными отрезками швеллеров продолговатую раму. Вверху швеллеры сводят вместе, сваривают и снабжают вырезкой для опирания проходческих дуг 3. Расстояние между швеллерами кружальной дуги 4 назначают так, что «наездники» могут свободно пройти между швеллерами. «Наездники», закрепляемые на кружальной дуге при помощи двух пар клиньев 9 с прокладками 8, не только обеспечивают надежную передачу радиального
давления на кружальные дуги, ио и составляют с ними жесткую систему.
Важной частью крепи является поперечный подхват 8 (см. рис. 172) длиной около 3 м с верхней поверхностью, обработанной по кривой и усиленной изогнутым швеллером. Подхват применяют для поддержания досок, забиваемых на среднем участке забоя, до установки нового комплекта дуг. Он поддерживается двутавровыми балками 1, выдви-
гаемыми по двум передним кружальным дугам и расклиниваемыми в кровлю.
Проходку калотты с крепью описанной системы производят следующим образом: сначала забивают доски в замке на ширине забоя 3 м, снимают одну или несколько забойных досок и после выемки породы на глубину заходки
перемещают их вперед с раскреплением в предыдущее кольцо крепи. Забивные доски поддерживаются подхватом. После закрепления таким образом средней частм кровли по всему контуру калотты забивают доски с разработкой породы и перемещением вперед лобовой крепи. В образовавшемся свободном пространстве снизу вверх устанавливают полный комплект крепи, после чего убирают подхват кровли.
При деревянной крепи бетонирование в калотте чрезвычайно затруднено, так как при этом приходится удалять элементы крепи, делая многочисленные перекрепления на кружалах. При бетонировании калоттю кольцами в шахматном порядке (как это принято в способе опертого свода) для удаления верхних прогонов и пространства, подлежащего бетонированию, приходится их распиливать.
При кружальной иивентарвой крепи бетонирование (рис. 174) ведут в удобных условиях на опалубке 3, опирающейся на кружальную дугу, входящую в состав крепи. При этом за обделкой остаются лишь доски. Для снятия проходческих дуг и «наездником
уп крепи подхватывают поперечинами 1 с криволинейной верхней поверхностью, ертыми на один нз швеллеров кружальной дуги с помощью вспомогательных стоек 2. Вкле разъедииення элементов проходческой дуги и снятия клиньев «наездиикн» и элемеи-9ы дуги удаляют через зазор между швеллерами кружальной дуги.
В неустойчивых породах проходческие дуги могут быть оставлены за обделкой, если *х извлечение сопряжено с риском.
Опнсаннаи система крепи удовлетворяет основным требованиям, предъявляемым рациональной временной крепи, и создает особенно благоприятные условия для применения способа опертого свода, так как позволяет произвести раскрытие выработки с минимальными переборами в условиях весьма медленного нарастания горного давления.
Способ опертого свода с опережающей калоттой. При способе опертого «вода с кружальной инвентарной крепью отпадает необходимость в верхней польне, так как проходку калотты осуществляют сплошным забоем (рнс. 175) отдельными кольцами, длина которых равна расстоянию между дугами крепи •обычно 1—1,2 м). Устранение верхней штольни положительно отражается а успехе проходки калотты 1 в ненарушенной породе. На небольшом рас-стоянии от забоя (обычно 12 шагов крепи, в неустойчивых породах — до двух кагов крепи), определяемом условиями удобства работ, производят бетонирование свода 2. Наиболее целесообразно бетонировать свод в одну смену на участке, равном длине суточной проходки. При этом обеспечивается необходимая прочность ранее уложенного бетона (12 кгс/см2) и создается достаточный фронт для работы бетононасоса малой производительности (5—8 м®/ч) или жневмобетоноукладч ика.
Таким образом, порода находится на временной крепи минимальное время. что исключает возможность существенных осадок и позволяет перейти от выемки породы к возведению постоянной обделки в условиях незначительного горного давления.
Выемку штросс 3, 4 и 6 и подводку стен 5 и 7 ведут обычным ранее описанным способом.
Применение инвентарной стальной крепи калотты позволяет осуществить раскрытие выработки с расчленением ее сечения на более крупные части, чем при деревянной крепи.
Наиболее простой и удобной является проходка без штолен, при которой функции опережающей выработки выполняет калотта (первый вариант). Работы производят на двух уровнях, причем на участке выемки средней штроссы устраивают подвесной путь, используемый для подачи материалов и откатки породы из опережающего забоя до бункера, обеспечивающего перегрузку породы в вагонетки большого объема. На верхнем горизонте работы развертывают по поточной системе, на нижнем — по смешанной системе.
Отсутствие направляющей штольни ограничивает число рабочих мест по расширению сечения двумя забоями калотты, проходимыми от порталов, и исключает возможность раскрытия промежуточных забоев для ускорения проходки.
Поэтому применение первого варианта поперечной разработки может быть оправдано в следующих случаях: при сооружении коротких тоннелей, задержка со строительством которых не связана с удлинением срока сдачи линии в эксплуатацию; при строительстве длинных тоннелей, калотту в которых
Рис. 175. Первый вариант способа опертого свода с опережающей калоттой
Рис. 176. Второй вариант способа (с транспортной штольней)
можно проходить со скоростью, не меньшей, чем скорость проходки направляющей штольни, так как в таком случае наличие штольни не в состоянии ускорить темп работ по раскрытию выработки.
Практика показывает, что при площади сечения калотты, не превышающей 15 м2, скорость ее проходки на стальной крепи не уступает средней скорости проходки направляющей штольни. Поэтому применение первого варианта вполне целесообразно при сооружении однопутных железнодорожных тоннелей. Этот вариант обладает следующими достоинствами: осущест-
вление проходки с минимальными нарушениями горного массива в условиях незначительного горного давления; сокращение до минимума расхода леса и транспортных операций по подаче материалов; устранение переборов с уменьшением объемов выломки и бетона; исключение необходимости в специальных кружалах и увеличение свободного пространства в выработке; отсутствие штолен и сокращение расходов на проходку.
При увеличении площади сечения калотты скорость ее проходки резко падает и не может быть признана достаточной. В этом случае переходят ко второму варианту способа с нижней направляющей штольней (рис. 176), позволяющей развернуть широкий фронт работ путем открытия промежуточных забоев. Этот вариант имеет все достоинства, свойственные первому варианту, но при нем несколько удорожается проходка вследствие наличия штоль-
ни и ухудшается вентиляция калотт, раскрываемых через кольца рассечки. Одновременно упрощаются водоотлив и транспортные операции.
При расположении штольни на уровне основания балластного слоя между ее верхом и низом калотты сохраняется достаточный слой ненарушенной породы, благодаря чему проходка калотты выполняется также в довольно благоприятных условиях.
§ 57. СООРУЖЕНИЕ ТОННЕЛЕЙ В СКАЛЬНЫХ ПОРОДАХ
Контурная крепь. Временную крепь, применяемую при проходке в скальных породах, устанавливают по контуру выработки, оставляя свободным ее внутреннее пространство. Контурная крепь создает благоприятные условия для комплексной механизации всех основных работ по сооружению тоннеля и способствует значительному увеличению темпов работ, а также уменьшению сроков и стоимости строительства. К наиболее распространенным системам контурной крепи относятся стальная арочная и анкерная крепи.
Стальная арочная крепь. Применяемые в качестве временной крепи стальные арки из прокатных (обычно двутавровых) профилей в случае необходимости могут быть включены в состав бетонной обделки как жесткая арматура. При этом достигается максимальное приближение контура выработки к проектному очертанию обделки, сокращающее до минимума объем выработки и бетона и уменьшающее возможное горное давление.
Установка стальной крепи производится быстрее, чем деревянной, даже при отсутствии опытных крепильщиков. Это обстоятельство наряду с сокращением объемов работ по бурению и уборке породы позволяет существенно сократить время цикла и ускорить сооружение тоннеля.
Особенно эффективно применение стальной крепи в безлесных районах, где доставка большого количества крепежного леса сопряжена с крупными транспортными расходами.
Применение стальной крепи позволяет вести сквозную проходку выработки без одновременного возведения тоннельной обделки, которое часто создает помехи при развертывании проходческих работ. Примеры сквозной проходки выработок с последующим возведением обделки имеются в практике США. 186
Рис. 177. Стальная арочная крепь:
1 — распорка и стяжка; 2 — клинья; 3—перебор; 4 — рандбалка
Сснако такое решение вызывает большой расход металла и может быть реко-жндовано лишь для тоннелей малой длины.
В зависимости от способа производства работ и устойчивости стен выработки применяют стальную арочную крепь нескольких типов. При раскрытии шработки за один прием применяют крепь типов I и II. Крепь типа I состоит с двух элементов, опирающихся на подошву выработки (рис. 177, а). В больших выработках каждый элемент крепи типа I может быть разбит на две части для удобства перевозки (см. рис. 177, а справа). Крепь II состоит из двух кзе.ментов, опирающихся за уступы породы за проектным контуром «рнс. 177, б). Крепь типа III используют при раскрытии выработки в два при-е<а. т. е. при проходке с опережающей калоттой, применяемой в менее проч-ых породах. Крепь типа III состоит из четырех элементов (рис. 177, в). В этом ст. чае, применяемом при недостаточно устойчивых стенах выработки, арки жалотты устанавливают на продольные рандбалки из-положенных на бок двутавров, наличие которых связано с необходимостью подводки стоек под верх-
жюю крепь после взрыва штроссы.
Стыки между элементами крепи устраивают при помощи стальных пла-3, приваренных к торцам арок (рис. 178) и соединяемых болтами 2.
Для обеспечения совместной работы крепи и окружающей породы производят расклинивание зазора между арками и контуром выработки через JW—150 см с обязательной постановкой клиньев 1 по обе стороны от замкового стыка. Благодаря этому закрывается предусмотренный при установке арок зазор 3—5 мм между торцовыми пластинами и обеспечивается напряжен-
ье состояние всей конструкции.
Ребра арочной крепи подвергаются изгибу, поэтому чем чаще произведено расклинивание, тем меньше напряжение в ребрах.
Расстояние между ребрами крепи принимают в пределах от 100 до 150 см,
жратным глубине заходки. При этом рекомендуется сохранять шаг ребер стандартным по всей длине выработки, применяя ребра двух-трех типов.
Продольная связь между ребрами обеспечивается распорками квадратного сечения с размером сто-10—15 см и стальными стяжками диаметром 15—20 мм, расположенными через 120—150 см.
С целью предупреждения выпадания из кровли гусков породы по ребрам укладывают доски с промежутками не менее 10 см, чтобы при их оставлении за обделкой было обеспечено примыкание бетона к породе. При бетонировании целесообразно снимать все х*скн, не напряженные горным давлением. Чтобы предупредить соскальзывание досок по ребрам кре-жй. доски прикрепляют к полкам ребер стальными
Рис. 178. Стык в замко-
вом сечении
ижнмами.
Анкерная крепь. Рассмотренные виды контурной крепи ограничивают развитие остаточных деформаций окружающих горных пород и, следовательно, рост горного давления, поддерживая кровлю выработки снизу. При этом элементы крепи подвергаются в основном сжатию. Наличие многочисленных сопряжений этих элементов, обминаемых под нагрузкой, а также легко деформируемого заполнения между крепью и контуром выработки (клинья, прокладки) является причиной недостаточной жесткости арочной крепи. Крепь этого вида не в состоянии остановить процесс развития деформаций кровли, а длительное пребывание кровли на временной крепи связано с нарастанием горного давления.
На совершенно ином принципе основано применение анкерной крепи, нашедшей достаточно широкое применение в горной промышленности и успешно внедряемой в тоннелестроении.
Принцип устройства и работы анкерной крепи заключается в следующем (рис. 179). В шпур, пробуренный в кровле (или стене) выработки, вводят стальную штангу 3, на одном конце которой имеется анкерная головка 1, а на другом — резьба, служащая для навинчивания гайки 4.
При помощи анкерной головки 1 обеспечивается надежное закрепление штанги в шпуре, после чего на ее нижний конец надевают опорную шайбу 5 и завинчиванием гайки достигают натяжения штанги с силой N. При этом происходит обжатие породы в объеме, ограниченном линиями 2, и предотвращается отделение блоков породы друг от друга под действием сил тяжести. Одновременно в результате обжатия на контакте между пластами возникают силы трения, препятствующие взаимному сдвигу пластов и частиц породы, нарушенной в результате раскрытия выработки.
Прочность и жесткость кровли, усиленной анкерами, значительно возрастают. Затяжка штанг способствует повышению несущей способности кровли, создает возможность ее использования для восприятия давления пород, расположенных над выработкой. Анкерная крепь является крепью принципиально нового типа, так как она не только поддерживает кровлю сверху, но и превращает ее в конструктивный элемент, способный выдержать значительные нагрузки.
Жесткость анкерной крепи больше, чем жесткость других видов крепи, так как в анкерной крепи отсутствуют обминаемые элементы и сопряжения (шайбы выполнены из металла). Деформации анкерной крепи могут происходить лишь при недостаточной прочности заделки анкерной головки, которая в этом случае имеет возможность продольного смещения. Однако при правильном выборе конструкции и параметров анкерной крепи смещение заделки может быть исключено.
Наряду с указанными достоинствами анкерная крепь обладает по сравнению с другими видами крепи следующими преимуществами: некоторое увеличение производительности машин и механизмов, работающих в совершенно свободной выработке; возможность механизации крепежных работ с уменьшением затрат времени и увеличением скорости проходки; сокращение расходов на перевозку крепежных материалов; устранение опасности повреждения крепи при взрывании; уменьшение сопротивления выработки движению воздушной струи и возможность сокращения времени проветривания.
Анкерную крепь используют в породах с широким диапазоном крепости и с различной степенью трещиноватости. Условиями ее успешного применения являются: отсутствие бокового горного давления, расположение анкерной головки в ненарушенной устойчивой породе, своевременная установка (до развития существенных остаточных деформаций кровли) и достаточное предварительное напряжение. Важное значение имеет также отсутствие поступления воды в шпуры, так как при увлажнении некоторые породы
N
Рис. 179. Схема анкерования породы
размягчаются и анкерная головка начинает скользить в заделке. Поэтому бурение шпуров для ан-жехэв рекомендуется производить без промывки, а при промывке просушивать шпуры сжатым воздухом. Качество заделки анкерной головки в зна-ччтельной мере зависит от твердости породы, влияю-жй на выбор конструкции анкера.
Применению анкерной крепи обычно пред-зэествуют ее испытания в производственных усло-вгях с проверкой правильности принятых пара-жтров крепи и надежности деталей конструкции.
По принципу закрепления в породе различают цельнометаллические (клиновые и распорные) ан-«еры, имеющие контакт со стенками шпура на коротком участке (в замке), и железобетонные (нагнетаемые, набивные, «Перфо»), имеющие контакт со стенками шпура по всей его длине.
Наиболее распространенные (рис. 180) к л п-1ов ые анкеры изготавливают из мягкой сали. Такой анкер состоит из штанги, имеющей sa одном конце резьбу для навинчивания натяжки гайки 4, а на другом конце — прорезь шири-эгй 3—4 мм для клина 1, обеспечивающего закрепление анкера в породе. Клин обычно на 10—20 мм кроче прорези, его грани наклонены под углом •— 9;, а конец имеет ширину около 2 мм.
Для установки ца место штангу со вставленным 5 прорезь клином вводят в шпур до упора в его
Рис. 180. Конструкции клиповых анкеров
дао, после чего по концу штанги, выступающему из шпура, наносят удары гри помощи отбойного молотка (резьбу предохраняют от повреждения специальной насадкой). При этом клин, входя в прорезь, раздвигает в стороны ьтниы штанги, которые внедряются в стенки шпура (на глубину до 5 мм в породах с / ~ 5 4- 6) и прочно закрепляются в породе.
Для создания предварительного натяжения штанги ла нижнем конце хакера пневматическим сболчивателем затягивают гайку, под которую поме-длнют элемент, распределяющий давление на большую поверхность кровли квадратная опорная шайба 3, отрезок швеллера и т. п.).
Для надежной заделки клинового анкера необходимо обеспечивать при бурении проектную глубину и диаметр шпуров. Рекомендуется уменьшать гззность диаметров шпура и штанги (она не должна быть более 5—6 мм) и ширину прорези для клина.
Анкер типа А (рис. 180, а) устанавливают в шпур диаметром 30 ± 1 мм. При шпуре большего диаметра (40—42 мм) головку анкера выполняют по ти-~у Б (рис. 180, б) и соединяют со штангой контактной сваркой.
При правильном для данных условий соотношении между диаметрами ддура и штанги и достаточной толщине клина, обычно принимаемой равной д иметру штанги, клиновые анкеры имеют надежную заделку в шпуре. Так, расчетная несущая способность заделки анкеров типов А и Б в породах с f ~ — 6 -4- 10 может быть принята равной соответственно 9 и 6 тс.
Изготовление клиновых анкеров дешево, просто и может быть организовано в условиях строительства. Клиновые анкеры имеют ряд недостатков, ко-тсрые необходимо учитывать. Усилия от натяжения штанги передаются стен-ьзм шпура через небольшие площадки контакта, поэтому клиновые анкеры нельзя применять как в слишком мягких, так и в слишком твердых породах • з первом случае усилие натяжения вызывает на контакте концов штанги с породой пластическое течение породы, во втором — пластическое течение металла штанги). Клиновые анкеры применяют в породах, имеющих / 4 (кро-
ме весьма крепких и окварцованных пород). При забивке штанги в шпур воз
никает нежелательное сотрясение кровли и, кроме того, требуется увеличение диаметра штанги, работающей при этом на сжатие. К точности бурения шпуров для клиновых анкеров предъявляют повышенные требования, так как при увеличении диаметра шпура против проектного резко падает несущая способность заделки. При слишком длинном шпуре клин не войдет в прорезь штанги достаточно глубоко, а при коротком шпуре будет затруднено затягивание гайки при натяжении штанги. Клиновые анкеры нельзя извлекать и ис
пользовать повторно.
Распорные анкеры закрепляются в шпуре за счет расширения самой головки анкера, а не концов штанги. К этому типу анкеров относятся многочисленные конструкции, действие которых основано преимущественно на расширении головки за счет взаимного смещения входящих в ее состав
клиньев.
Головка анкера СКШ (рис. 181) состоит из разрезной распорной муфты 2. угол наклона внутренних поверхностей которой соответствует наклону граней клина 3, образованного на расплющенном конце штанги 4. Собранный аикер с проволочным кольцом 1, удерживающим на штанге половинки распорной муфты, вводят в шпур вместе с установочной трубой 5. При затягивании гайки 7, упирающейся в опорную шайбу 6, клин штанги перемещается вниз, раздвигая части распорной муфты и способствуя их закреплению в шпуре. После снятия трубы производят окончательное натяжение штанги при плотном примыкании опорной шайбы к поверхности кровли.
Распорные анкеры более сложны в изготовлении, но по сравнению с кли
новыми имеют следующие преимущества: независимость качества заделки от глубины шпура; возможность уменьшения диаметра штанги, которая не ослабляется прорезью (постановка анкера осуществляется без забивки); возмож-
ность извлечения и повторного использования анкера; меньшее влияние точности бурения на качество заделки анкера, зависящее от разности диаметров шпура и головки анкера, которая может быть принята очень небольшой (2— 3 мм); большая поверхность контакта распорной головки со стенками шпура
и увеличение прочности
Рис. 181. Конструкция распорного анкера СКШ
заделки при возрастании нагрузки на анкер, что позволяет применять анкеры такого типа в сравнительно слабых скальных породах (f 3).
В аналогичных условиях возможно применение эпоксидной смолы, обеспечивающей после полимеризации надежную заделку анкера в шпуре. Стеклянный патрон, заполненный смолой и содержащий отсек с отвердителем, вводят в шпур до упора в дно имеющимся на его конце пластмассовым колпачком и закрепляют по оси шпура с помощью охватывающего патрон кольца из пенопласта.
Патрон разбивают стальным стержнем периодического профиля, при быстром вращении которого происходит перемешивание смолы с отвердителем. Несущая способность у анкера, заделанного таким способом, не меньше, чем у анкера с распорной головкой.
Предварительное натяжение анкеров имеет большое значение для повышения несущей способности породы в кровле выработки и предотвращения расслоения пластов. Чем сильнее затянут анкер, тем большие силы трения возникают на контактах между блоками, на которые порода разделена трещинами. Однако предварительное натяжение не должно быть слишком велико (обычно оно составляет 4—5 тс), так как сильное натяжение может привести к смещению заделки анкера.
Заделка клиновых анкеров осуществляется динамическим воздействием шхера на стенки шпура, учесть влия-не которого практически не представляется возможным. Поэтому размерами жкеров задаются обычно на основании свыта их применения, а несущую способность заделки выявляют экспериментально (выдергиванием анкера из
Епура).
Заделка
Рпс. 182. Определение надежности заделки распорного анкера
усилий и сделать доста-
анкеров с распорными го-
ловками осуществляется статическим приложением усилия. Вследствие этого
можно оценить величины возникающих в заделке
точно достоверные выводы о несущей способности заделки.
Рассмотрим условия равновесия головки анкера, состоящей из трех клиньев, под действием силы Р (вес поддерживаемого блока породы или; натяжение штанги) и силы трения Т о стенки шпура (рис. 182). Сила Р, приложенная к среднему клину, вызывает на контакте с боковыми клиньями усилие S, наклоненное к нормали под углом трения <рк (углом трения стали по
стали).
Проектируя усилие S на горизонтальное направление, можно найти величину распора Н, передающегося на стенку шпура:
2tg(a + <pK) ’
(145)
Стремлению головки анкера сдвинуться вниз противодействует сила трения Т, равная
T = 2tftgq>n = fc„P, (146)
где срп — угол трения между головкой и породой;
ka — коэффициент надежности заделки, определенный по формуле k — tgljPn я 1б(« + фк)
Очевидно, что надежная заделка анкера обеспечивается при kn> 1, что соответствует неравенству
Фп>“-гФк- (148)
Задаваясь значением коэффициента надежности (например, k„ = 1,05), можно найти необходимый угол клина 2a.
Из формулы (147) следует, что для повышения надежности заделки анкера необходимо уменьшение угла клина и трения между клиньями, а также увеличение трения между головкой и породой, для чего поверхность головки эелесообразно делать рифленой. В этом случае надежность заделки дополнительно увеличивается за счет внедрения выступов головки в породу.
Необходимо иметь в виду, что напряжения в стенках шпура, вызванные действием распора Н, не должны достигать предела, соответствующего переходу породы в пластическое состояние, так как в противном случае деформации стенок значительно возрастут, что неизбежно приведет к смещению заделки.
Используя формулу Герца, можно найти максимальное напряжение на контакте головки анкера со стенками шпура и определить длину головки, так как ее диаметр принимают минимальным для уменьшения диаметра шпура omai = 0,835 1/^-5; 5 = f^g/ (149)
VI uq а (к “г£о)
гье d0 и d — диаметры соответственно шпура и головки;
Ео и Е — модули упругости породы и материала головки.
Минимальная длина головки
/ = 0,71 Л2
(150)
где 7? — напряжение, при котором исключена возможность возникновения пластических деформаций породы, находящейся в условиях трехосного сжатия.
Натяжение анкера принимают в пределах от 4 до 5 тс. Прекращение затягивания гайки по достижении проектного напряжения в штанге обеспечивается применением пиевмосболчивателей с фиксированным крутящим моментом.
В зарубежной практике Для этой цели используют гаечные ключи с длинной рукояткой, снабженные динамометром, которым можно измерить натяжение анкера, и пружинные ограничители, представляющие собой градуированные пружины, помещаемые между опорной шайбой и гайкой анкера. Пружина охватывается стальным кольцом, высота которого меньше высоты ненапряженной пружины. Необходимое натяжение штанги достигается в момент закрытия зазора между плоской шайбой и стальным кольцом, т. е. когда пружина будет сжата до высоты кольца. Такие ограничители позволяют удобно контролировать натяжение анкеров и в случае его снижения своевременно подтягивать анкеры.
Анкерная крепь рассмотренных типов является временной, так как анкеры не защищены от коррозии под действием подземных вод и не могут быть долговечными. Поэтому постановка стальных анкеров предполагает последующее сооружение обделки тоннеля.
С целью обеспечения долговечности анкеров можно использовать стойкие против коррозии алюминиевые сплавы или создать вокруг стальных штанг защитную оболочку из цементно-песчаного раствора, устойчивого против действия подземных вод, т. е. применять железобетонные анкеры. Нагнетание цементно-песчаного раствора в шпур (при котором воздух вытесняется через тонкую трубку, доходящую до дна шпура) после постановки штанги, иногда применяемое при необходимости одновременной цементации трещиноватых пород вокруг выработки, не дает положительных результатов вследствие невозможности высококачественного заполнения раствором шпура по всей его длине и отсутствия методов контроля заполнения. Кроме того, нагнетание должно производиться раствором с достаточно высоким водо-цементный отношением, а в растворах, имеющих такое водо-цементное отношение, пре затвердевании образуются усадочные трещины.
К анкерам, которые могут быть
Рис. 183. Железобетонный набивной анкер 192
Рис. 184. Железобетонный анкер «Перфо»
использованы в качестве постоянное крепи, относятся анкеры набивные и типа «Перфо».
Набивные анкеры (рис. 183) наиболее просты. Их образуют эабиваннеа стального заостренного стержня 1 периодического профила в шпур диаметром 42—46 мы. предварительно заполненные с помощью пиевмоиагнетатела жестким цементно-песчашж раствором 2. Уширенный нижний конец стержня имеет отверстие 3 для подвески защитной сетки.
Рост несущей способноаа такого анкера должен опережать процесс развития дефс^
маний горных пород и быть увязан с длительностью проходческого цикла. Чтобы обеспечить через 6 ч после установки анкера возрастание его несущей способности до 7—10 тс, для заполнения шпура применяют цементно-песчаный раствор глиноземистого цемента марки 400—500
Рис. 185. Схемы применения анкерной крепи
цементным отношением 0,26.
с добавкой 5—6% хлористого кальция и водо-
Анкеры типа «П е р ф о» (рис. 184) устроены следующим образом: две □олуцилиндрические оболочки из листовой стали толщиной 2—3 мм с наружным диаметром, меньшим диаметра шпура на 3—4 мм, имеющие отверстия,
расположенные в шахматном порядке, заполняют цементно-песчаным пластичным раствором, стойким против воздействия агрессивных вод, соединяют вместе и связывают проволокой. Такую трубку 2, заполненную раствором 3, вводят в шпур и закрепляют заклиниванием в его устье. Затем в трубку забивают отбойным молотком стальной стержень гладкого или периодического профиля /. При этом раствор выдавливается через отверстия в зазор между трубкой и стенками шпура, обеспечивая плотное его заполнение по всей длине. Чтобы исключить возможность оставления воздуха в шпуре, перед забивкой стержня целесообразно помещать между перфорированной трубкой и стенками шпура тонкую трубку, доходящую до дна шпура.
Набивные анкеры и анкеры типа «Перфо» обеспечивают высококачественную заделку как в самых твердых, так и в мягких породах (/ ^ 2) и являются долговечными, так как их защита от коррозии гарантирована плотной оболочкой из раствора, которая для анкеров типа «Перфо» армирована стальной оболочкой. Кроме того, железобетонные анкеры в отличие от стальных полностью заполняют шпур и, следовательно, способны работать на срез при
смещении пластов породы.
Недостатком железобетонных анкеров описанных конструкций является невозможность их натяжения после затвердения раствора. Вследствие этого оен лишь фиксируют состояние кровли выработки, соответствующее моменту затвердения раствора, и не обеспечивают ее немедленного обжатия. Для того чтобы иметь возможность создать предварительное натяжение анкера, можно рекомендовать заполнение глубинной части шпура (30—40 см) быстротвердею-•дим, а остальной части шпура — медленно схватывающимся раствором. Тогда натяжение анкера можно производить после затвердения раствора у дна гщура, обеспечивающего прочную заделку, но до начала схватывания раствора на остальном его протяжении.
Анкерную крепь устраивают по следующим схемам (рис. 185). При достаточно близком расположении от кровли выработки слоя прочных пород (Рис. 185, а) непосредственная кровля подвешивается с помощью анкеров к этому слою. При этом пролет, с которым работают на изгиб слои непосредственной кровли, уменьшается от L до I. Если непосредственная кровля сложена из однородных слоистых пород (рис. 185, б), обжатие породы анкерами сбеспечивает возникновение на контакте между пластами сил трения, препятствующих их независимому прогибу. В этом случае анкерованная кровля ттевращается в монолитную породную балку с пролетом L, имеющую жест-ьссть, значительно большую жесткости отдельных пластов, входящих в ее состав.
В выработке сводчатого очертания (рис. 185, в) анкерование обеспечивает ^разование над выработкой породного свода, способного воспринять дав-.зевие вышележащих пород и надежно ограждающего выработку. В этом слу-чэе могут быть достигнуты особенно хорошие результаты, так как анкеры свя-«аают даже сильно трещиноватую породу в отдельные блоки, выпадание
• Зж. 1207
193
которых предотвращается самой формой свода. При использовании железобетонных анкеров в сочетании с нанесением на породу слоя торкрета или набрызг-бетона (см. § 60) в качестве постоянной крепи сводчатой выработки целесообразно нагнетать в породный свод цементный раствор, обеспечивающий заполнение имею-
Рис. 186. Размещение анкеров в выработке щихся трещин и омоноличивание непосредственной кровли.
После продвижения забоя выработки на глубину заходки обнаженный участок кровли оставляют некоторое время незакрепленным. Следует стремиться поставить анкерную крепь как можно скорее после проветривания выработки. Однако обычно такую крепь устанавливают после уборки породы, используя для этого буровые подмости, пододвигаемые к забою, верхнюю площадку СБУ-4 или люльки монтажной машины с шарнирной стрелой (МШТС-2ТП).
Анкеры располагают по возможности перпендикулярно слоям породы, так как в этом случае обжатие вызывает наибольшие силы трения на контакте между пластами и во всяком случае под углом не менее 60°. В сводчатых выработках наиболее целесообразно располагать анкеры по радиальным направлениям (рис. 186).
Шаг а анкеров в поперечных рядах назначают по расчету. Расстояние с между рядами анкеров увязывают с продвижением W забоя за цикл (с = или с ~ -j) так, чтобы в течение каждого цикла нужно было устанавливать одинаковое число анкеров.
Так как опорные шайбы под гайками анкеров имеют небольшие размеры (200 X 200 X 10 или 100 X 100 X 8 мм), то в промежутке между анкерами происходит разрыхление породы, ограниченное обжатием, вызываемым натяжением штанг, но иногда приводящее к выпаданию отдельных камней. Для ограничения развития этого процесса и обеспечения безопасности работ принимают ряд мер. Поверхность кровли затягивают стальной сеткой 1 из про волоки толщиной 2—3 мм со стороной ячейки 50 х 50 или 100 х 100 мм, зажимаемой под опорными шайбами 2 (рис. 187, а). Перед постановкой анкеров сетку растягивают до забоя и подпирают временными стойками, чтобы обеспечить защиту крепильщиков. Бурение шпуров и постановку анкеров производят через отверстия сетки. Иногда к анкерам поперечных рядов через стальные прокладки 3 подвешивают подхваты в виде арок из швеллеров 5 (рис. 187, б), между которыми кровлю затягивают досками 4. Необходимо следить за тем, чтобы в местах крепления подхватов к штангам отсутствовали податливые элементы, иначе неизбежна потеря предварительного натяженив анкеров.
При использовании анкерной крепи обязательно применять гладкое взрывание, однако и в этом случае возможны значительные неровности поверх-
Рис. 187. Поддержание породы между анкерами
•сети выработки, наличие которых приво-жт к оставлению зазоров между арочными одхватами и кровлей, подлежащих заполнению жесткими элементами. Поэтому более удобны подхваты, объединяющие смежен анкеры в продольном направлении при •эмощи отрезков швеллера 6 (рис. 187, в).
Одним из наиболее эффективных средств укрепления породы в промежутках между анкерами является нанесение слоя тор-р-ета 7 по сетке, подвешенной к анкерам, ли непосредственно на породу (рис. 187, г). Сгтнако ведение торкретирования вблизи забоя вызывает увеличение времени цикла при строительстве тоннелей распростра-
Рпс. 188. Определение длины анкера
гния ие получило.
Теория расчета анкерной крепи еще недостаточно разработана, что объясняется большим многообразием условий проведения горных выработок. При проектировании пользуются соображениями, изложенными ниже. Со-тдзено Техническим условиям (ВСЯ 125-65) в основу определения длины ан-tepa положен принцип подвешивания непосредственной кровли выработки t ненарушенной породе за пределами зоны разрыхления. Глубину этой зоны .. назначают в одном случае по опыту проходки в аналогичных условиях, 5 другом случае (при отсутствии опытных данных) — равной высоте /гЛ свода давления.
Такой подход дает большой запас надежности, так как правильное применение анкерной крепи исключает возможность полного развития свода давления (особенно в сводчатых выработках, образованных гладким 5:рыванием).
В первом случае длина части анкера, находящейся в породе (рис. 188, п).
/л-/р + /:!, (151)
где I. — длина замка анкера.
Для стальных анкеров L 0,25 м, для железобетонных анкеров
4, = -4-, (152)
лДт
де ,Vn — расчетная несущая способность заделки анкера (обычно 7—10 тс); d — диаметр штанги;
т — сцепление между сталью и раствором, зависящее от его состава, срока твердения и температуры.
Так, для раствора, состав которого приведен выше, сцепление через 6 ч "хле установки анкера может быть принято при положительных температу-гзх, равных 5, 10, 15 и 20° С, равным соответственно 15, 20, 30 и 35 кгс'см2.
Во втором случае (рис. 188, б):
и = (153)
*1.
где /ij — высота свода давления по Протодьяконову;
/ — коэффициент крепости породы с учетом ее трещиноватости.
Полная длина анкера
/ = (154)
где /к — отрезок штанги, выступающий внутрь выработки, длина которого зависит от конструкции устройств, принятых для поддержания кровли между анкерами.
Несущая способность Л^э заделки должна быть достаточной, чтобы выдержать вес Р отделившегося от кровли блока высотой /р, т. е.
P = n?/pac</V3, (155)
где п — коэффициент перегрузки, принимаемый равным 1,5;
а и с — расстояния между анкерами в поперечном и продольном направлениях.
Из выражения (155) может быть определен шаг анкеров в поперечном направлении:
1,5у/рс
Для исключения возможности образования вывалов породы между анкерами рекомендуется назначать расстояние между ними не более предполагаемой глубины зоны разрыхления, т. е. принимать а /р.
Прочность штанги на растяжение проверяют по формулам:
для распорных и железобетонных анкеров
—Я; (157)
4
для клиновых анкеров (с учетом их ослабления прорезью шириной б) Pt'^L—^dR, (158)
где R — расчетное сопротивление стали на растяжение.
Особенности проходки в скальных породах. Проходку в скальных породах ведут почти исключительно буровзрывным способом, при котором выполнению цикла работ соответствует продвижение забоя на глубину заходки.
После взрывания забой оказывается заваленным породой, а кровля выработки у забоя — лишенной поддержки и, следовательно, подверженной остаточным деформациям под действием развивающихся в ней растягивающих напряжений. Нарастание деформаций происходит тем быстрее, чем меньше крепость породы и чем больше степень ее трещиноватости и размеры выработки. Этими факторами определяется период, в течение которого кровля может быть безопасно оставлена без поддержки.
В весьма крепких породах выработки часто оставляют без временной крепи до сооружения постоянной обделки.
В крепких скальных породах, устойчивость которых обеспечена в течение сравнительно продолжительного периода, временную крепь устанавливают после уборки породы во время бурения на следующую заходку (со специальной тележки или с буровой рамы, подтянутой к забою). За счет совмещения операций сокращается продолжительность проходческого цикла и увеличивается скорость продвижения забоя.
В менее крепких скальных породах временную крепь устанавливают после уборки породы перед обуриванием забоя на новую заходку.
В породах средней крепости, слабых скальных и полускальных длительное оставление кровли без крепления может вызвать значительные ее деформации с отслоением и выпаданием отдельных глыб, что связано с развитием горного давления. Поэтому крепь ставят сразу после проветривания и оборки кровли. >
Изложенные соображения в значительной степени влияют на выбор системы крепи и способа проходки, так как продолжительность периода между раскрытием выработки и установкой временной крепи определяет удобства организации производственного процесса.
При проходке тоннелей в скальных породах применяют только поточную систему развертывания работ по длине выработки. При этом в зависимости от 196
степени устойчивости и крепости пород забой выработки продвигают вперед всем сечением или расчленяют на части, последовательность взрывания которых определяет способ проходки тоннеля. Обделку бетонируют, как правило, в полностью раскрытой выработке.
Наиболее распространенными способами производства работ по сооружению тоннеля в скальных породах являются способы сплошного забоя, ступенчатого забоя и нижнего уступа; менее распространен способ централь-яой штольни.
Способ сплошного забоя. При способе сплошного забоя (рис. 189), применяемом в устойчивых скальных породах VI категории и. выше, раскрытие выработки производят за один прием с установкой в случае необходимости временной крепи, которую, как правило, ставят после уборки породы с буровой •амы, подтянутой к забою.
В этом случае отсутствует опережающая выработка. Поэтому при недостаточной изученности геологических условий для предупреждения неожиданного прорыва воды или обрушения более слабых пород целесообразно бурить входящую в состав вруба опережающую скважину диаметром 75—100 мм за глубину до 20—50 м.
В скальных породах средней крепости, требующих закрепления кровли до уборки породы, кровлю временно поддерживают подхватами, подвешенными к ранее установленным стальным аркам, или закрепляют анкерной крепью, устанавливаемой с выдвижных платформ буровой рамы.
Критерием для возможности применения этого способа является безусловная устойчивость забоя без использования несущей забойной крепи. Для обеспечения безопасности работ и предупреждения вывала отдельных кусков породы забой в случае необходимости затягивают вертикальными досками или стальной сеткой, натянутой на рамки из стержней диаметром 10—12 мм. Опорами для досок или рамок служат раздвижные стальные трубы, расположенные зоперек забоя в три-четыре яруса и поддерживаемые стержнями, заведенными в наклонные шпуры.
Способ сплошного забоя характеризуется простой и четкой организацией работ, обеспечивающей снижение трудоемкости и высокие скорости проходки. Вследствие значительной площади сечения зажим взрываемой породы окружающим массивом уменьшается и применение глубоких заходок, необходимых для скоростной проходки, не вызывает повышенного расхода ВВ. Однако преимущества этого способа могут быть реализованы лишь при достаточной механо- и энерговооруженности.
Забой обуривают бурильными машинами, смонтированными на самоход-аой установке или буровой раме (см., например, рис. 139), позволяющей с нескольких перестановок обурить весь комплект шпуров и обеспечивающей возможность пропуска под ней погрузочных машин. Обязательными принадлежностями буровой рамы должны быть стальной козырек, гарантирующий безопасность бурильщиков, и подъемное устройство для подачи элементов крепи и бурового оборудования.
Способ ступенчатого забоя. Видоизменением способа сплошного забоя является способ ступенчатого забоя (рис. 190), при котором сечение расчле-вяют на две части: калотту 1 и несколько отстающую от нее штроссу-ступень
Рис. 190. Способ ступенчатого забоя
2. Условия взрывания шпуров ступени более благоприятны, чем шпуров калотты (две плоскости обнажения), поэтому коэффициент их использования несколько выше. В связи с этим для получения одинакового продвижения обоих забоев целесообразно применять в калотте шпуры большей глубины.
Шпуры калотты бурят с применением легких разборных подмостей со ступени, длину которой для облегчения условий труда бурильщиков принимают равной примерно 1,5 глубины заходки. Взрывание шпуров выполняют с некоторым опережением шпуров ступени, чтобы уменьшить зажим породы калоттного сечения. В результате взрыва на ступени задерживается сравнительно небольшое количество породы либо происходит ее полная очистка, что может быть достигнуто при создании направленного взрыва, для чего необходимо некоторое усиление нижних шпуров калотты.
После проветривания выработки обуривают калотту с одновременной погрузкой породы в нижней части сечения. В случае необходимости устанавливают стальные арки или рамы полигональной крепи, опирающиеся на уступы породы за пределами проектного контура выработки. Для этого боковые части ступени расчищают от породы, сбрасываемой вниз. Чтобы избежать этого, можно поддерживать кровлю при помощи балок-подхватов, подвешиваемых к предыдущим аркам или рамам. Установку анкерной крепи и бурение контурных шпуров калотты ведут с легких разборных подмостей.
Ступень обуривают горизонтальными отбойными и наклонными контурными шпурами после окончания погрузки породы. В средней части ступени можно бурить вертикальные шпуры во время погрузки породы.
Таким образом, при способе ступенчатого забоя могут быть совмещены наиболее трудоемкие процессы — бурение и погрузка породы, благодаря чему сокращается время цикла и увеличивается скорость проходки. Работы сосредоточены на коротком участке и организуются по одной циклограмме. Расчленение забоя на две части обеспечивает его устойчивость в менее прочных породах, чем при способе сплошного забоя.
Недостатками способа ступенчатого забоя являются обуривание калотты и установка крепи без оборудования, способствующего ускорению этих процессов (например, без буровых подмостей). Этим определяются условия применения способа при отсутствии достаточных средств механизации, необходимых для применения более прогрессивного способа сплошного забоя, или в породах, где применение этого способа недопустимо вследствие недостаточной устойчивости забоя полной высоты. В последнем случае целесообразно отказаться от совмещения операций и выполнять крепежные и буровые работы с оснащенных выдвижными платформами буровых подмостей, подвигаемых к забою после окончания погрузки породы. При этом длина ступени уменьшается до глубины заходки.
Способ нижнего уступа. В слабых и средней крепости скальных породах возможно применение способа иижнего уступа (рис. 191), при котором проходка калотты опережает проходку штроссы на 30—50 м. Опережающая ка-лотта является рекогносцировочной выработкой, позволяющей при встрече с более слабыми, чем предполагалось, породами своевременно перестроить производственный процесс, не приостанавливая работ по расширению сечения.
Рис. 191. Способ нижнего уступа
После проветривания и оборки забоя и кровли последнюю закрепляют анкерной крепью или временно (до окончания уборки) поддерживают балками-подхватами, подвешенными в случае арочной крепи к предыдущим аркам.
При устойчивых стенах выработки арочная крепь калотты опирается непосредственно на породу или деревянные подкладки за пределами проектного контура. При неустойчивых стенах опорой для крепи служат стальные ранд-ба.тки, состоящие из звеньев, соответствующих глубине заходки, под который после взрывания уступа подводят стойки. Промежутки между арками затягивают досками.
Порода из опережающего забоя подается в вагонетки или на продольный транспортер погрузочной машиной, находящейся в забое калотты, перемещается к краю уступа и сбрасывается вниз, где грузится вместе с породой штроссы в вагонетки большой емкости двумя погрузочными машинами. Чтобы взбежать вторичной погрузки одного и того же объема породы, можно ее перемещать из опережающего забоя по передвижному помосту или подвесным транспортером до бункера (см. рис. 191), расположенного в выработке полного сечения, из которого производится загрузка состава вагонеток большой емкости. Следует, однако, отметить, что при таком решении неизбежно значительное снижение производительности погрузочных машин в штроссе, так как обмен вагонеток сильно затрудняется в связи с необходимостью одновременной погрузки породы с верхнего горизонта через бункер.
После уборки породы оба забоя обуривают на следующую заходку. Шпуры в средней части нижнего уступа можно располагать вертикально. В этом случае возможно совмещение бурения и погрузки породы, но увеличивается ее разброс при взрывании.
Шпуры в калотте целесообразно бурить при помощи буровой каретки, самоходной буровой установки или манипуляторов, смонтированных на погрузочной машине.
Обделку обычно бетонируют целиком в удалении от уступа, определяемом удобствами организации работ. С целью ее упрощения иногда проходят насквозь верхнюю часть выработки с закреплением арочной или анкерной крепью. Только после этого проходят штроссу и бетонируют обделку.
При крепи, устанавливаемой в два приема, рандбалки 3 (рис. 192), служащие опорой для верхних арок, лишаются опоры во время взрыва-
t
ния нижнего уступа. Крепь может быть поддержана при помощи балок-подхватов 1, висящих на имеющих устойчивую опору ребрах, с помощью разъемных хомутов 4. По мере продвижения забоя 2 подхваты выдвигаются вперед, перекрывая взрываемый уступ.
Более удобны сборные стальные фермы 1 (рис. 193), состоящие из панелей (длина которых равна шагу стальных арок), соединяемых на болтах и прикрепляемых к ребрам. Опорами ферм служат крепи, установленные в сечении, раскрытом полностью, и арки на рандбалках 2 за пределами взрываемого уступа. По мере продвижения нижнего уступа задние панели ферм переносят вперед.
Достоинствами способа нижнего уступа является некоторая экономия ВВ по сравнению со способом сплошного забоя и возможность применения в слабых скальных породах. В особенно трудных случаях в зарубежной практике применяют короткие боковые штольни, опережающие забой калотты, в которых до ее разработки, выполняемой при помощи отбойных молотков, укладывают рандбалки, служащие опорами для арочной крепи.
Недостатком способа нижнего уступа является сложность организации работ по параллельной проходке в двух забоях, взрывание в которых необходимо производить одновременно для сокращения общего времени на заряжание и проветривание. Дополнительные трудности возникают в связи с перекладкой (на время взрывания нижнего уступа) устройств, обеспечивающих переброску породы из опережающего забоя к месту окончательной погрузки, и необходимостью поддержания верхней крепи.
В случае если оставление кровли на временной крепи до возведения обделки является' рискованным, целесообразно бетонировать обделку в два приема, т. е. применять упрощенный вариант способа опертого свода с опережающей калоттой (рис. 194).
После раскрытия и закрепления арками 6 калотты, проходимой сплошным забоем, бетонируют свод, пяты которого несколько уширяют за пределы проектного очертания обделки. Штроссу разрабатывают на полное сече-нце вслед за раскружаливанием свода, достигшего проектной прочности; стены обделки бетонируют на расстоянии 12—15 м от забоя. На участке раскрытия штроссы свод опирается на стены уширенными пятами, которые целесообразно усилить закладкой при бетонировании свода продольных балок или рельсов. Устойчивость стен обеспечивается временной крепью в виде досок, поддержанных анкерами 1 и швеллерными подхватами 5.
Рис. 194. Вариант способа с раздельным бетонированием обделки 200
Рис. 195. Способ центральной штольни
Бетонную смесь на верхний горизонт подают в опрокидных вагонетках при помощи тельфера 3, перемещающегося по монорельсу 4, подвешенному к своду. Опалубка стен поддерживается лекалами 2.
В тоннелях длиной до 300 м, кроме параллельной системы работ, может быть применена также последовательная система, при которой разработку штроссы начинают лишь после сбойки опережающих калотт, закрепляемых временной крепью или постоянной обделкой. В этом случае облегчается организация работ, так как порода удаляется из калотты без перегрузки и отпадает необходимость в согласовании операций в опережающем и отстающем забоях, но удлиняется срок выполнения работ. Такую систему часто с успехом применяют н в крепких скальных породах при проходке выработок большого сечения.
Способ центральной штольни. В крепких скальных породах, не требующих крепления до возведения постоянной обделки, в зарубежной практике применяют также способ центральной штольни.
В простейшем случае (рис. 195) в средней части сечения проходят штольню прямоугольного или сводчатого очертания, размеры которой назначают таким образом, чтобы из нее можно было пробурить радиальные шпуры до проектного контура создаваемой выработки. Шпуры располагают перпендикулярно оси тоннеля и бурят с помощью перфораторов, опирающихся на установленную в штольне горизонтальную трубу.
Взрывание породы дисками толщиной 60—100 см, перпендикулярными оси выработки, обеспечивает расширение сечения со значительной экономией ВВ вследствие наличия двух плоскостей обнажения. Для предотвращения завала штольни взрывание ведут нависающим уступом, т. е. одновременно взрывают верхнюю и нижнюю половины диска, обозначенные на рис. 195 одинаковыми цифрами (/, 2, 3, 4, 5 и т. д.). Уборку большого объема одновременно взрываемой породы (число дисков может быть практически неограниченным) производят экскаватором в большегрузные вагоны или автосамосвалы.
Вследствие невозможности совмещения уборки породы из забоя штольни и бурения радиальных шпуров процесс бурения начинают только после сбойки встречных забоев центральной штольни, что задерживает расширение сечения и, следовательно, увеличивает срок строительства тоннеля. Этот недостаток может быть устранен пробивкой параллельно оси тоннеля вспомогательной штольни малого (до 6 м2) сечения (рис. 196).
Рис. 196. Вариант способа со вспомогательной штольней
штольни.
Рпс. 197. Вариант способа с анкерной крепью
Вспомогательная штольня, соединенная с центральной штольней поперечными сбойками через 100—200 м, обеспечивает бесперебойную уборку породы из забоя центральной штольни и используется для размещения вентиляционных труб и лабе л ей, организации водоотлива и пр. Кроме того, вспомогательную штольню можно проходить с большей скоростью, чем центральную штольню (с опережением относительно забоя
последней). В этом случае на базе вспомогательной штольни могут быть открыты (через поперечные выработки) промежуточные забои центральной штольни и, следовательно, ускорена ее сбойка.
Проходка вспомогательной штольни несколько увеличивает стоимость работ, но обеспечивает большие удобства их выполнения и способствует значительному ускорению строительства. Особенно целесообразен вариант со вспомогательной штольней при строительстве длинных тоннелей (с последующим использованием штольни для вентиляции — полупоперечная система).
Способ центральной штольни допускает комплексную механизацию всего производственного процесса по строительству тоннеля и обеспечивает высокие скорости проходки, но до недавнего времени' считался неприменимым в породах, требующих временного крепления. Внедрение анкерной крепи в тоннелестроение заставило пересмотреть эту точку зрения и позволило расширить границы применения, способа центральной штольни.
В случае необходимости породы в кровле будущей выработки могут быть закреплены анкерами до ее раскрытия. Эта идея была реализована при сооружении тоннеля п сильно трещиноватых породах (Франция). Из центральной штольни (рис. 197) были пробурены радиальные шпуры так, что их концы выходили на 2 м за проектный контур выработки и были удалены на 1 м друг от друга. В часть каждого шпура, выходившую за пределы выработки, заводили стальные зигзагообразные стержни 4 диаметром 12 мм с на резкой на внутреннем конце для последующего прикрепления защитной сетки 5.
Внутренний конец анкера пропускали сквозь каучуковую пробку 3, а наружную часть шпура, в которой находилась штанга, заполняли раствором глиноземистого цемента под давлением 15 кгс/сма. Это позволило обеспечить надежную связь штанги со стенками шпура, а также выполнить цементацию окружающего массива, которая превратила трещиноватую породу в монолитную.
После приобретения цементным раствором достаточной прочности внутреннюю часть шпура, расположенную в пределах будущей выработки, использовали для размещения заряда 2 с забойкой 1. Взрывание породы производили последовательно отдельными дисками на длине до 15 м за один прием.
Наличие по контуру армированного и цементированного свода позволило производить работы по полному раскрытию сечення и возведению обделки без применения временной крепи и сократило переборы до минимума. Безопасность работ обеспечивалась наличием стальной сетки 5, подвешенной к выступающим внутрь выработки концам штанг, снабженным нарезкой.
Применение этого варианта способа центральной штольни обеспечило скорость проходки до 6 м/сутки при полной безопасности работ и значительном уменьшении объема выломки и расхода бетона.
Особенностью работы примененной анкерной крепи в виде зигзагообразных стержней, заделанных в затвердевший цементный раствор, является отсутствие их предварительного натяжеиня, которое, как известно, является условием предотвращения развития остаточных деформаций породы, лишенной связей, существовавших до раскрытия выработки. В данном случае анкеры, установленные до раскрытия выработки, вследствие значительного трения н сцепления между их поверхностью и стенками шпуров фиксировали состояние породы, еще не нарушенное проходкой. Изложенный метод представляет значительный интерес и может быть рекомендован в породах, требующих разработки сечения по частям с временной крепью.
Глава 14
ВОЗВЕДЕНИЕ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК
§ 58. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Возведение обделки, завершающее цикл основных работ по сооружению тоннеля, производят обычно параллельно с раскрытием подземной выработки в соответствии с основным правилом тоннелестроения, которое заключается в необходимости сокращения до минимума периода пребывания выработки на временной крепи. Однако в некоторых случаях может оказаться целесообразной последовательная организация работ, при которой возведение обделки начинают только после окончания всех работ по проходке. При этом возможно значительное сокращение одновременно используемых рабочей силы и других ресурсов строительства, более удобна организация основных работ, проводимых без взаимных помех, и само возведение обделки, являющееся менее трудоемким процессом, чем проходка, может производиться с большей скоростью.
Такое решение должно быть рассмотрено при проходке тоннеля в крепких, не оказывающих большого горного давления, сухих скальных породах, требующих закрепления лишь кровли выработки. Использование анкерной крепи расширяет область применения последовательной организации работ.
Последовательная организация работ ведет к увеличению срока сооружения тоннеля и должна быть специально обоснована. Ее применение становится возможным при строительстве коротких (до 500 м) тоннелей, срок сооружения которых не лимитирует ввода в эксплуатацию пути сообщения.
Если скорость возведения обделки значительно превышает скорость проходки, как обычно бывает при бетонировании в выработке, закрепленной контурной крепью, возможно некоторое изменение параллельной системы работ. При этом сначала ведут только проходческие работы, а затем параллельно с ними выполняют возведение обделки с таким расчетом, чтобы к моменту завершения проходки расстояние между забоем и обделкой было минимальным, но удобным для параллельного ведения работ (50—60 м). В этом случае работы по возведению обделки начинают на значительном удалении от забоя, а общий срок выполнения основных работ будет тем же, что и при параллельной системе.
Применение обделок из монолитного бетона требует весьма четкой организации бетонного хозяйства, которая в значительной степени определяется размерами поперечного сечения выработки и длиной сооружаемого через один вход участка тоннеля.
Основное требование, которое при этом необходимо выполнять, заключается в необходимости доставки бетонной смеси с минимальным числом перегрузок и сотрясений, ведущих к ее расслоению, и завершения укладки бетонной смеси до начала схватывания цемента.
Продолжительность перемещения бетонной смеси, считая с момента выгрузки из бетономешалки до загрузки в бетоноукладочную машину, не должна превышать 50 мин при температуре до +20° С и 40 мин при более высоких температурах.
Бетонную смесь приготовляют вне тоннеля или в его готовой части на расстоянии от опалубки, обеспечивающем возможность своевременной доставки и укладки смеси на место. Бетонные работы производят обычными методами при температуре воздуха не ниже 4-10° С и температуре бетонной смеси не ниже +5° С. При более низких температурах применяют зимние способы бетонирования. На участке бетонирования должны быть приняты меры против фильтрации через свежеуложениый бетон подземных вод. Для этого в трещины породы закладывают водоотводные трубки.
§ 59. БЕТОНИРОВАНИЕ ОБДЕЛОК В СЛАБЫХ И МЯГКИХ ПОРОДАХ
В породах, в которых раскрытие выработки производят по частям с установкой крепи, загромождающей сечение, бетонную смесь укладывают небольшими порциями по мере удаления элементов крепи. Поэтому смесь подают в опрокидных вагонетках-бетоновозках емкостью 0,25 м® или бадьях с откидным дном, поставленных на платформы.
Доставленную бетонную смесь вываливают на дощатый боек, перелопачивают и вручную укладывают за опалубку,наращиваемую по мере укладки бетона. Процесс бетонирования в этих условиях подробно рассмотрен в § 56 на примере сооружения тоннеля способом полностью раскрытого сечеиия.
В мокрых выработках применяют бетон на пуццолановом или шлаковом цементе, активность которого назначают в зависимости от агрессивности подземных вод. Если необходимо получить быстрое нарастание прочности бетона, можно использовать бетон на глиноземистом цементе или другие быстро-твердеющие бетоны.
Содержание цемента на 1 м® бетона назначают в зависимости от наличия, напора и агрессивности подземных вод в пределах от 240 до 330 кг/м®.
Заполнители, применяемые для приготовления бетона, должны соответствовать требованиям ГОСТа. В массивные элементы обделки можно укладывать крупный заполнитель («изюм») с размером камней не более 1/4 толщины конструкции, занимающий до 30% объема бетона. При этом прочность крупного заполнителя должна превышать прочность бетона не менее чем в 1,5 раза. Расстояние отдельных камней друг от друга должно быть не меньше 20 см, а от опалубки — не меньше 5 см.
Водо-цементное отношение бетонной смеси назначают с учетом потери подвижности во время доставки таким образом, чтобы осадка конуса к моменту укладки за опалубку была не менее 7—9 см. Для улучшения удобооб-рабатываемости бетонной смеси целесообразно вводить в нее пластифицирующие добавки, способствующие снижению водо-цементного отношения.
§ 60. БЕТОНИРОВАНИЕ ОБДЕЛОК В СКАЛЬНЫХ ПОРОДАХ
Схемы бетонирования. Наибольшие возможности для механизации работ по бетонированию обделки имеются в скальных породах, не требующих крепления или позволяющих ограничиться контурной крепью. При этом перемещение и укладку бетонной смеси выполняют с применением бетононасосов и бетоноукладчиков, а передвижная опалубка обеспечивает достаточный фронт бетонирования.
В зависимости от конкретных условий возможны два варианта бетонирования обделки. При последовательной системе организации работ, т. е. когда возведение обделки начинают лишь после завершения проходки, в первую очередь бетонируют обратный свод, служащий после затвердения бетона надежным основанием для перемещения опалубки, затем бетонируют стены и верхний свод обделки; при круговом сечении (в гидротехнических тоннелях) всю обделку бетонируют непрерывно, начиная с обратного свода. В последнем случае опалубку перемещают по специальным продольным фермам, перекрывающим участок бетонирования.
При параллельной системе организации работ в первую очередь бетонируют стены и верхний свод, что позволяет сохранить нетронутыми откаточные пути, используемые для вывоза породы из забоя выработки. При этом порядке бетонирования передвижная опалубка перемещается по рельсам, уложенным по обе стороны от откаточных путей. Для обеспечения их правильного положения целесообразно закладывать под них бетонные блоки, располагая их примерно через 3 м друг от друга.
Передвижная опалубка. Механизированные способы укладки бетонной смеси требуют применения инвентарной передвижной опалубки, обеспечивающей достаточный фронт бетонирования, высокое качество и однотипность внут-204
Рис. 198. Передвижная опалубка; / - стальной лист по фермам; 2 —-стяжные устройства; .7 — затяжка: V— устройства для отрыва опалубки; 5 — рама самоходной тележки
р«нней поверхности тоннеля, экономию материалов и транспортных средств и значительное ускорение работ.
Передвижная опалубка, применяемая при бетонировании тоннельных обделок, должна иметь конструкцию, обеспечивающую ее удоб-вое снятие и передвижение вслед за забоем, но не препятствующую перемещению по выработке породы и материалов. Тележка, поддерживающая опалубку, должна передвигаться по путям, охватывающим снаружи откаточные пути выработки, а в конструкцию опалубки должны входить шарнирные и другие устройства, позволяющие легко отделять опалубку от затвердевшего бетона.
Перечисленные условиям удовлетворяют опалубки двух видов:
1) опалубка, состоящая из секций, смонтированных каждая на отдельной тележке и имеющих возможность небольших радиальных перемещений, достаточных для отрыва от готовой обделки (рис. 198);
2) телескопическая опалубка, состоящая нз нескольких секций, допускающих значительные смещения входящих в них элементов и имеющих лишь одну тележку для их складывания, перемещения под ранее установленными секциями и установки на новом месте.
Последовательность использования опалубок различна. Секции опалубки первого вида последовательно устанавливают и бетонируют, начиная с ближайшей от забоя, в направлении к выходу из тоннеля (рис. 199, а). После завершения бетонирования всех секций комплекта кольцо обделки 1, набравшее необходимую прочность, раскружаливают и соответствующую ему секцию перемещают вперед в положение устанавливают и бетонируют. Затем процесс повторяют с секциями 2, 3 и т. д. Длина и число секций опалубки должны быть увязаны с заданной скоростью бетонирования и требуемым временем выдержки в опалубке.
При этой схеме бетонирования опалубка может иметь жесткую конструкцию и перемещаться вперед без складывания, что особенно важно в случае тоннелей большого сечения, но каждая ее секция опирается на отдельную тележку, а ближайшая к забою секция должна иметь два торцовых щита, закрывающих зазор между ней и контуром выработки.
При использовании телескопической опалубки (рис. 199, б) ее секции, входящие в комплект, устанавливают и бетонируют поочередно в направлении продвижения забоя. После приобретения необходимой прочности кольцом I обделки его раскружаливают и секцию опалубки в сложенном состоянии перемещают под секциями, установленными впереди, в новое положение Г.
Применение телескопической опалубки более удобно, чем опалубки первого вида. В этом случае достаточно одной тележки и каждая секция требует остановки лишь одного торцового щита, так как с одной стороны бетонируемой секции всегда имеется уложенный бетон. Подача бетонной смеси в секцию упрощается, так как передний ее торец всегда свободен.
Для решения вопроса о числе секций опалубки имеет значение допустимое время раскружаливания. В соответствии со СНиП Ш-Б.8-68 допускается раскружаливание при достижении бетоном обделки 75-процентной проектной прочности, т. е. примерно через 12 суток. Для скальных пород этот период велик, и его можно сократить при соответствующем обосновании в проекте. Условия работы свежезабетонированной обделки являются весьма
благоприятными вследствие сцепления бетона со скалой и невозможности искажения формы конструкции, плотно прилегающей к окружающей породе. В особенности благоприятны эти условия в случае применения анкерной или стальной арочной крепи, оставляемой за обделкой. При этом обделка в период раннего твердения бетона подвергается воздействию лишь собственного веса.
В зарубежной практике раскружаливание в крепкой скале производят в зависимости от пролета выработки через 16—40 ч.
При параллельной системе организации работ, когда отставание места бетонирования от забоя сравнительно невелико, можно считать допустимым раскружаливание в крепких скальных породах по достижении 30% проектной прочности бетона, что соответствует трем суткам.
В состав телескопической опалубки входят металлические секции (стальные или из алюминиевых сплавов) и самоходная тележка, поддерживающая их во время перемещения и установки. Каркас секции выполняют из прокатных ребер или решетчатых ферм, соединенных продольными элементами, к которым приваривают металлические листы толщиной 4—5 мм. В конструкции секции устраивают несколько односторонних шарниров, по которым она может быть сложена до поперечных размеров, позволяющих перемещать ее под секциями, установленными впереди. Шарниры способствуют складыванию секции внутрь, но не должны допускать раскрытия стыков изнутри под нагрузкой. Поэтому их обычно располагают в зоне положительных моментов, возникающих в опалубке, не поддержанной тележкой.
Телескопическую опалубку, состоящую из шести элементов, соединенных пятью шарнирами (рис. 200), устанавливают следующим образом.
Секцию 8 опирают нижними элементами на клинья и соединяют болтами с соседними секциями. Установку секции, доставленной в сложенном виде на тележке 5, выполняют в такой последовательности. В первую очередь секцию поднимают двумя парами качающихся гидравлических домкратов 6, а затем двумя парами горизонтальных винтовых домкратов 9, шарнирно соединенных с секцией, устанавливают в проектное положение. Нижние элементы А и Б секции, поддерживаемые тросами лебедок 4, опускают под действием собственного веса. Опорные элементы подклинивают и через отверстия закрепляют штырями в коротких шпурах, пробуренных в подошве выработки. Затем установленную секцию соединяют болтами с соседними секциями.
Для облегчения отрыва секции от бетона при ее снятии поверхность стальных листов секции покрывают смазками различных составов (например, смесью петролатума с керосином в отношении 1 : 2, наносимой в количестве 100— 200 г/м2)
Опалубку снимают в следующем порядке. Под секцию, подлежащую снятию, подкатывают тележку, скрепляемую с секцией домкратами 6 и 9. Затем снимают болты, соединяющие секцию с основанием и с соседней секцией, и опорный элемент А при помощи винтовых стяжек 1 отрывают от низа стены. Смежный элемент Б отрывают поворотом винтов 5, опирающихся на плиты 2, после чего нижние элементы секции подтягивают лебедкой 4 под площадку тележки. Отрыв верхней части секции осуществляют домкратами 6 и 9, перемещающими секцию в транспортное положение.
Бетонирование ниши для укрытия людей производят в специальной инвентарной форме 10, присоединяемой к основной секции при помощи болтов. Эту форму размещают в предварительно подготовленной боковой выработке и после установки секции с люком в нижней части соединяют с ней 206
Рис. 200. Телескопическая опалубка
банами. Лебедки 7 служат для подъема вспомогательного оборудования.
Со стороны бетоноукладочной установки на тележке располагается раздвижная стойка 11 для поддержания бетоновода во время бетонирования.
Для получения бетонной обделки с наименьшим количеством поперечных швов бетонирования целесообразна следующая схема применения телескопической опалубки, комплект которой состоит из п секций стандартной длины I установочной тележки. Число секций комплекта принимают равным
2Wt П =---- ,
I
где W — суточное продвижение забоя;
t — срок раскружаливания в сутках (по опыту строительства тоннелей железнодорожной линии Абакан—Тайшет в крепкой скале t — 3 суток).
После продвижения забоя на Wt метров устанавливают и бетонируют патовину секций комплекта. Вторая половина комплекта секций поддерживает обделку на участке раннего твердения, и через t суток ее перемещают вперед.
При такой организации сокращается объем работ по установке торцовых щитов и облегчаются работы по перекладке вентиляционных труб на участке бетонирования.
При применении передвижной опалубки, изображенной на рис. 198 , работа по описанной схеме требует удвоенного числа секций, но обеспечивает возможность подачи бетонной смеси за опалубку через торцовый щит со стороны забоя.
При параллельной организации работ бетонирование в опалубках описанного вида выполняют на расстоянии от забоя, определяемом удобствами размещения комплекса проходческого оборудования и устройств для подачи бетонной смеси. Передний участок выработки поддерживается временной контурной крепью, которая не всегда в состоянии предотвратить остаточные деформации кровли. В связи с этим целесообразно по возможности укорачивать этот участок до минимума.
Опалубка сборно-разборного типа (рис. 201) допускает бетонирование на расстоянии 15—20 м от забоя, исключающем возможность повреждения бетона при взрывных работах. Комплект опалубки длиной 40 м состоит из сварных тюбингов 1 с радиальными бортами, соединяемых болтами. Сборку опа-
Рис. 201. Сборно-разборная опалубка
лубки выполняют в непосредственной близости от забоя укладчиком рычажного типа (эректором) 2, перемещающимся по кронштейнам 3, прикрепленным к боковым элементам опалубки. Укладчик снабжен выдвижными платформами 4 и может быть использован как буровая рама.
Разборку опалубки по достижении бетоном необходимой прочности выполняют с помощью укладчика-перестановщика 5, находящегося в конце рабочего участка. Снимаемые нм элементы опалубки перемещают к забою на тюбинговозках.
Недостатком сборно-разборной опалубки является значительный объем работ по монтажу и демонтажу секций, элементы которых соединяются большим количеством болтов.
Применение описанной системы работ возможно, если прочность пород в кровле выработки допускает ее оставление незакрепленной на участке от забоя до места бетонирования. В противном случае могут произойти вывалы породы, удаление которых из-за опалубки небезопасно. Выполнение вблизи забоя всего комплекса работ по сооружению тоннеля (разработка и уборка породы, возведение обделки) усложняет организацию производственного процесса. Более целесообразно использование сборно-разборной опалубки в удалении от забоя с закреплением призабойного участка анкерной крепью.
Устройства для подачи и укладки бетонной смеси. Перемещение бетонной смеси к месту укладки в случае применения передвижной опалубки выполняют машинами механического действия — бетононасосами или пневматическими бетононагнетателями по стальным трубам-бетоноводам. Бетонная смесь, перемещаемая по трубам, должна быть достаточно пластичной (осадка конуса 7—9 см) и сохранять однородность и связность до момента укладки. Такие свойства достигаются повышенным расходом цемента (не менее 280—330 кг/м3), содержанием в бетонной смеси по массе не менее 42% цемента и песка, применением гравия вместо щебня и оптимальным водо-цементным отношением (0,5—0,6). Особенно целесообразно введение в бетонную смесь пластифицирующих добавок (например, сульфитно-спиртовой барды), повышающих пластичность смеси и способствующих снижению расхода цемента без уменьшения прочности бетона.
Максимальная крупность зерен заполнителя составляет примерно 0,3— 0,4 диаметра бетоновода. Если в качестве заполнителя используют щебень, его крупность принимают на 10 мм меньше.
Первые замесы бетонной смеси делают жирными (для смазки труб) с заполнителем крупностью не более 15 мм.
Среди насосов отечественного производства наиболее удобным для подземных работ является бетононасос С-296, обеспечивающий подачу 10 м3 бетонной смеси в час на расстояние до 200 м по горизонтали или до 35 м по вертикали (рис. 202). Насос имеет габаритные размеры 2500 х 1350 ?< х 1700 (высота) мм и потребляет 16,8 кВт электроэнергии. Диаметр бетоновода 150 мм.
Бетононасосы надежны в работе, и их производительность не зависит от дальности подачи. К общим недостаткам бетононасосов относится быстрый 208
износ цилиндра и движущихся частей вследствие абразивного действия бетон-вой смеси и необходимость очистки бетоновода, заполненного смесью, при перерывах в работе.
Этих недостатков лишены бетононагнетатели пневматического действия.
Бетононагнетатель (рис. 203) состоит из стального резервуара 5 с загрузочной воронкой 3, закрываемой конусным затвором с помощью пневмоцилиндра/. В нижней части резервуара имеется рабочая камера б, служащая для направления бетонной смеси в бетоновод 7.
После загрузки резервуара в него подается сжатый воздух, плотно прижимающий конусный затвор к резиновому уплотняющему кольцу и выдавливающий бетонную смесь в рабочую камеру. Подача бетонной с/теси по бе-гоноводу осуществляется давлением сжатого воздуха, поступающего по воздуховоду 4.
Передвижной пневмобетононагнетатель ПН-500 имеет резервуар емкостью 0,5 м3 и при давлении сжатого воздуха до 8 кгс/см2 может подать бетонную смесь на расстояние до 200 м по горизонтали или до 35 м по вертикали. При этом его производительность составляет до 15 м3/ч. Габаритные размеры агрегата 1300 X 1800 X 2000 (высота) мм.
Установка для пневмоподачи бетонной смеси (рис. 204) состоит из нагнетателя 4, бетоновода 3 и ресивера 5 емкостью 1,8 м3, служащего для выравнивания давления сжатого воздуха во время подачи смеси. Конец бетоновода .? вводят за опалубку. Если бетонную смесь подают с перегрузкой (например, •трн последовательном соединении агрегатов для увеличения дальности их действия), тона концебетоновода помещают гаситель скорости 1 в виде усеченного конуса, внутри которого имеется изогнутый отбойный лист, изменяющий направление движения бетонной смеси.
Рис. 204. Установка для пневмоподачи бетонной смеси
Рис. 205. Доставка бетонной смеси в бетоионагне-тателях
Бетононагнетатели более просты и дешевы, чем бетононасосы, меньше подвергаются износу, имеют малые габаритные размеры и обеспечивают очистку бетоновода от бетонной смеси после каждого цикла. Однако их производительность не является постоянной и уменьшается с увеличением дальности подачи.
Наиболее целесообразно размещать бетоноукладочные установки непосредственно в подземной выработке вблизи от места бетонирования (см. рис. 222). Такое решение имеет следующие преимущества: секции опалубки перемещают в пространстве, свободном от бетоноводов и поддерживающих их устройств; бетоновод может быть введен с торца опалубки и имеет наименьшую длину, при которой его очистка после бетонирования не вызывает затруднений; бетоноукладочную установку, обычно устраиваемую самоходной, перемещают по мере бетонирования в сторону забоя без удлинения бетоновода.
Бетонную смесь, приготовляемую на поверхности, доставляют в вагонетках или других транспортных сосудах, разгружаемых в бункер установки при помощи наклонного транспортера, на который опрокидывается вагонетка, тельфера или малогабаритного крана-укосины.
Перед укладкой бетонной смеси рекомендуется дополнительно ее перемешивать для восстановления однородности и подвижности. Такое перемешивание может быть произведено при помощи лопастей, имеющихся в приемных воронках бетононасосов.
Хорошие результаты дает доставка бетонной смеси в резервуарах 2 бето-нонагнетателей, камеры которых соединены трубами 3 с ресивером 1, находящимся в составе (рис. 205). При этом через бетонную смесь непрерывно снизу вверх проходит сжатый воздух, выходящий через неплотности затвора. Нагнетатели поднимают на площадку бетононасосной установки, соединяют с бе-тоноводом и основным ресивером и разгружают за опалубку.
При глубине расположения тоннеля до 100 м целесообразна подача бетонной смеси через скважины диаметром до 50 см, пробуренные через 100— 200 м вдоль оси тоннеля. Для предотвращения расслоения бетонной смеси при падении в нижней части обсадной трубы помещают смонтированный на тележке бункер, постоянно заполненный наполовину свежей бетонной смесью. Из бункера бетонная смесь медленно сползает по наклонному лотку в транспортные сосуды, доставляющие их к насосной установке.
Укладочную установку можно располагать и непосредственно под скважиной. В этом случае по мере бетонирования бетоновод укорачивают. Когда расстояние от подвижной опалубки до установки становится по условиям работ минимальным, установку переносят вперед к следующей скважине.
При расположении укладочной установки в готовой части тоннеля, возможном при достаточном его сечении, вводить конец бетоновода за опалубку менее удобно, так как это требует изменения направления подачи бетонной смеси, а перемещение секций опалубки происходит в стесненных условиях.
Подача бетонной смеси может быть осуществлена полностью по трубам без перегрузки в вагонетки. Так, при сооружении обделки на участке, длина которого не превосходит дальности действия установки, возможно ее размещение вместе с бетономешалкой у входа в тоннель. Имеются примеры применения такой схемы и при больших расстояниях с последовательным соединением двух агрегатов, один из которых находится у входа в тоннель, а другой в тоннеле. В этом случае длина участка ограничивается удвоенной дальностью действия агрегата.
В особенно длинных и глубоких тоннелях своевременная доставка бетонной смеси чрезвычайно затруднительна. В этом случае при достаточных 210
размерах сечения выработки в непосредственной близости от места бетонирования размещают не только укладочную установку, но и бетономешалку. Отдозированные порции заполнителя и цемента, приготовленные на поверхности, доставляют к подземной бетономешалке в вагонетках или контейнерах. Имеются примеры включения в состав бетоносмесительной установки камнедробилки с использованием разрабатываемой в забое породы для получения жрупного заполнителя.
Самоходная бетоноукладочная установка (рис. 206) на два пневмонагнетателя 1 имеет общий ресивер 2. Кран-балка 4 служит для подъема контейнеров 3 или вагонеток со съемными кузовами, в которых доставляется бетонная смесь, и разгрузки ее в загрузочные воронки машин.
При бетонировании стен обделки бетонная смесь подается за опалубку но двум бетоноводам 6, расположенным на высоте не более 2 м от низа заопа-лубочного пространства или поверхности ранее уложенного слоя бетона. При использовании бетононасосов уплотнение бетонной смеси достигается заглублением в нее конца бетоновода, обеспечивающим давление на опалубку в пределах от 1 до 2 кгс/см2. Достижение предельного давления вызывает увеличение расхода энергии двигателя бетононасоса и заставляет срабатывать тепловое реле, включающее двигатель продольного перемещения установки.
В случае применения бетононагнетателей предельное давление на опалубку ие превышает допустимого при давлении сжатого воздуха в магистрали до 7 кгс/см2.
В процессе укладки дополнительное уплотнение бетонной смеси обеспечивается глубинными вибраторами с гибким валом, которые вводят через люки в опалубке, закрываемые заслонками.
Указанным способом стены бетонируют на высоту о—5,5 м. Свод и верх-вие части стен бетонируют с помощью одного бетоновода 5, расположенного а шелыге свода, с перемещением установки вперед на I м по достижении предельного давления бетонной смеси.
Для улучшения уплотнения бетонной смеси в замковой части целесообразно подавать сжатый воздух через трубку в верхнем перегибе бетоновода.
Бетонирование прекращается при появлении бетонной смеси на расстоянии около 0,5 м от торцового щита опалубки. Остающееся пространство за-эолняют смесью во время бетонирования замковой части следующей секции опалубки, обеспечивая таким образом связь между кольцами обделки. При параллельной организации бетонных работ процесс возведения обделки обыч-ю тесно увязывают с процессом проходки, что находит отражение в общей
Рис. 206. Самоходная бетоноукладочная установка
циклограмме, выполнение которой обеспечивает заданные темпы сооружения тоннеля.
Набрызг-бетон. В практике современного тоннелестроения получил широкое распространение так называемый набрызг-бетон («шприц-бетон») марок 300—400—500, применяемый как для временного крепления, так и для возведения постоянных подземных конструкций. Эту полупластичную смесь портландцемента (обычно пуццоланового марки не ниже 400), песка, гравия1 крупностью до 25—30 мм, воды и ускорителя схватывания и твердения наносят на поверхность выработки с помощью пневматических машин особой конструкции.
Набрызг-бетон отличается от обычного бетона повышенным содержанием цемента (250—300 кг/м3 в сухой смеси и 300—400 кг/м3 в материале обделки с учетом частичного отскока песка и гравия и уплотнения смеси при нанесении), более тщательным подбором гранулометрического состава заполнителей и технологией укладки, в процессе которой происходит интенсивное уплотнение набрызг-бетона, обеспечивающее его значительное сцепление с поверхностью выработки.
Набрызг-бетон мало отличается от торкрета (см. § 62), однако введение в его состав ускорителя схватывания и твердения придает ему новые, весьма ценные свойства. Так, набрызг-бетон может наноситься сравнительно толстыми слоями (до 15 см) без их оплывания, отскок быстросхватывающейся смеси сравнительно невелик (до 10—15% от стен, до 25% от свода). Набрызг-бетон имеет высокую прочность и водонепроницаем уже при толщине слоя 8—10 см, его сцепление со скальной поверхностью достигает 15—20 кгс/см2 и ограничивается лишь расчетным сопротивлением осевому растяжению (10,4—12,2 кгс/см2 для марок 300—400).
Покрытие из набрызг-бетона толщиной 5—15 см обеспечивает надежное закрепление контура выработки, если порода может оставаться неподдер-жанной в течение нескольких часов, нужных для нанесения и затвердения слоя. Быстрое закрепление кровли приостанавливает развитие в ней остаточных деформаций и рост горного давления и позволяет уменьшить толщину сооружаемой впоследствии постоянной обделки.
Через 3—4 ч после нанесения набрызг-бетона возможно продолжение взрывных работ, вследствие чего его применение не замедляет проходки. Особенно эффективно применение набрызг-бетона в сочетании с анкерной крепью.
Постоянная обделка из набрызг-бетона в выработке, закрепленной анкерами, может быть выполнена в удалении от забоя без помех для проходческих работ. К ее достоинствам, кроме отмеченных выше, относится отсутствие необходимости в опалубке и последующем нагнетании цементного раствора. В прочных породах возможно возведение обделки из набрызг-бетона толщиной 15—20 см по стальной сетке, подвешенной к долговечным анкерам (железобетонным или из алюминиевых сплавов).
Вводимая в набрызг-бетон добавка-ускоритель должна обеспечивать необходимые сроки схватывания и твердения, быть дешевой и нетоксичной и снижать конечную прочность бетона не более чем на 15—20%. Добавки делят на жидкие (растворяемые в воде затворения) и сухие (вводимые в сухую смесь).
Наиболее эффективной жидкой добавкой является паста НКА (2—3% массы цемента); срок схватывания смеси 1—3 мин.
К сухим добавкам, обеспечивающим достаточно быстрое схватывание набрызг-бетона, относятся фтористый натрий (1—2% массы цемента, срок схватывания смеси 2—3 мин) и предложенная институтом Оргэнергострой добавка ОЭС, представляющая собой тонкомолотый спек глиноземных заводов, содержащий не менее 65% алюмината и феррита натрия (3—4% массы цемента, срок схватывания 3—5 мин).
1 Применение в качестве крупного заполнителя щебня вызывает резкое повышевж
износа оборудования.
Значительное влияние на процесс схватывания цемента, величину отско-u заполнителей и прочность набрызг-бетона оказывает водо-цементное отмщение, оптимальное значение которого при применении добавки ОЭС составляет 0,4—0,5.
Толщина покрытия из набрызг-бетона обычно не превышает 15 см, а из «абрызг-бетона по сетке, прикрепленной анкерами, — 10 см.
Поэтому закрепляемая выработка должна иметь правильную форму, вторая может быть обеспечена применением при проходке гладкого взрывания.
Использование в качестве временной крепи набрызг-бетона, наносимого «посредственно по контуру выработки, допускается в породах с коэффициентом крепости f 6.
Более распространено нанесение набрызг-бетона по сетке из проволоки дааметром 4—6 мм с ячейками размерами не менее 100 х 100 мм, подвешенной к анкерам. В таком виде слой набрызг-бетона допускается СНиП П-Д.8-62 в качестве постоянной тоннельной обделки в скальных монолитных и слабо тре-кнноватых породах. Наличие сетки повышает несущую способность слоя и 30-40%.
Так как сцепление набрызг-бетона с породой очень велико, состоящее из него покрытие работает совместно с породой, окружающей выработку, то его расчет представляет собой сложную задачу, тем более что контур выработки, образованной взрыванием, обычно имеет неправильную форму.
Некоторые указания по назначению толщины покрытий из набрызг-бетона в зависимости от коэффициента крепости породы, ширины выработки и онструкции покрытия (непосредственно по породе или по сетке, подвешенной в анкерам) имеются в специальной литературе.
Среднюю толщину крепи из набрызг-бетона определяют по формуле
л=/га]А^’ (159>
где k — коэффициент, определяемый в зависимости от вида крепи (k = 0,35 при крепи из набрызг-бетона; k = 0,25 при покрытии набрызг-бето-ном по сетке, прикрепленной к анкерам, и расстоянии между анкерами а = 0,8 4- 1,5 м);
а — шаг крепи (расстояние между анкерами), м; при нанесении слоя непосредственно на породу условно принимают а = 1 м;
q — расчетная интенсивность горного давления (например, по теории проф. Протодьяконова), тс/м2;
/?р — расчетное сопротивление набрызг-бетона растяжению, тс/м2.
Для постоянных обделок полученную по формуле (159) толщину увеличивают на 30—40%.
Формула (159) обобщает опыт применения набрызг-бетона, но ее следует рассматривать как приближенную. Создание теории расчета крепей из набрызг-бетона, слой которого следует рассматривать как жесткий край выработки, способный работать на растяжение, позволит уточнить эту формулу.
Для нанесения набрызг-бетона применяют специальные машины. Машина БМ-60 (рис. 207) состоит из двух камер с конусными затворами. Сухая смесь цемента, песка и гравия поступает в верхнюю камеру 1. В это время нижняя камера 2 уже заполнена смесью и находится под давлением сжатого воздуха. При вращении находящегося внизу камеры 2 тарельчатого дозатора смесь разделяется на равные части, которые воздушным потоком увлекаются в гибкий шланг.?. Шланг заканчивается соплом, к которому подводится вода, затворяющая сухую смесь. По мере опорожнения камеры 2 в нее поступают новые порции сухой смеси из камеры 1, и бетонирование, таким образом, производится непрерывно.
Машина БМ-60 имеет производительность 3—4 м3/ч сухой смеси и при давлении сжатого воздуха до 6 кгс/см2 (расход его 8—10 м’/ч) обеспечивает
дальность подачи до 200 м по горизонтали или до 30 м по вертикали. Габариты машины 1740 X 1100 X 1600 (высота) мм.
Для нанесения набрызг-бетона можно применять передвижную металлическую эстакаду 2 (рис. 208), на которой установлены бетономешалка 1 со скиповым загрузочным устройством для сухой смеси и машина для набрызга бетона 3.
В тоннелях большого сечення, в которых обычно применяют безрельсовый транспорт, целесообразно использовать самоходную установку (рис. 209). Все оборудование такой установки смонтировано на шассн автомашины. Бетономешалка 2, под которой располагается машина 1 для набрызга бетона, загружается скиповым ковшом емкостью 2 м3. В передней части установки имеется стрела 6, к которой подвешены люлька 4 сопловщика и турель для крепления сопла. К соплу 7 подведены водяной шланг 5 и материальный шланг 6. Управление соплом может осуществляться из люльки сопловщика или со специального пульта 3.
Набрызг-бетон наносят на очищенную и промытую водой поверхность слоя
ми толщиной до 7 см в своде и до 15 см на стенах кругообразным движением сопла, находящегося на расстоянии 100—120 см от поверхности, перпендикулярно ей. Правильное очертание внутренней поверхности обделки обеспечивают установкой маяков или лекал. Для получения покрытия толщиной более 7 см каждый последующий слой при применении добавки ОЭС наносят через 20—30 мин после нанесения предыдущего слоя, чтобы его не повредить. Для предотвращения усадки набрызг-бетона рекомендуется его интенсивно увлажнять в период твердения.
Применение набрызг-бетона позволяет уменьшить толщину обделки и объем выработки и полностью механизировать процесс бетонных работ. При этом их трудоемкость снижается почти в два раза, а стоимость обделки по сравнению с монолитной бетонной на 30—40%.
Использование при строительстве тоннелей в скальных породах набрызг-бетона в сочетании с гладким взрыванием и анкерной крепью явилось предпосылкой для создания нового способа работ, получившего широкое распространение за рубежом, особенно в Австрии, в связи с чем он получил название новоавстрийского. Как видно из последующего изложения, правильнее
Рис. 209. Самоходная установка для нан~ сення набрызг-бетона
называть его способом ядра с податливой оболочкой.
Новый способ работ заключается в следующем. Разработку породы производят по частям по контуру свода и стен, оставляя нетронутым ядро, слу жащее для поддержки забоя. По мере выемки породы устанавливают анкеры, ограничивающие деформации контура. Их конструкцию и расстояние места установки от забоя выбирают в зависимости от свойств породы и размеров выработки.
По сетке, натянутой между анкерами, на поверхность выработки наносят слой набрызг-бетона толщиной 15—20 см, усиленный решетчатыми дугами из ар
Рис. 210. Обделка и последовательность работ при способе ядра с податливой оболочкой
матурнои стали и образующий наруж-
ную оболочку. Незамкнутая оболочка представляет собой податливую крепь выработки, способную деформироваться без разрушения, приспосабливаясь
к изменяющимся напряжениям по ее контуру. Этому способствует ползучесть набрызг-бетона, проявляющаяся в первое время после его нанесения.
Оболочка, поддерживающая контур выработки, деформируется вместе с ним, предупреждая разрыхление' окружающей породы. Регулярные измерения дают представление о затухании этих деформаций во времени. Для этой цели с обеих сторон выработки, несколько выше ее центра, устанавливают ан
керы, концы которых заделаны в ненарушенную породу, а штанги находятся внутри пластиковой трубки. На внутреннем конце каждого анкера находится измерительное устройство для определения относительного смещения оболочки и точки закрепления анкера.
После выемки ядра немедленно бетонируют обратный свод, замыкая оболочку, что, как показывает опыт, сокращает ее деформации до минимума. Когда измерения деформаций подтвердят наступление состояния равновесия в горном массиве (но не ранее чем через 3—5 месяцев после замыкания обратного свода), возводят несущую обделку из монолитного бетона. Между оболочкой и несущей обделкой помещают гидроизоляцию, которая работает как наружная. Для обеспечения совместной работы оболочки и обделки за обделку нагнетают цементный раствор.
Измерения показывают большое влияние на работу конструкции сцепления между оболочкой и стенами выработки. Вследствие этого оболочка фактически висит на стенах и напряжения в ней падают по мере приближения к низу стен. Поэтому существующая тенденция утолщать обделку в этом направлении не оправдана. Наиболее целесообразно устройство обделок постоянной толщины.
Примером применения описанного способа работ является сооружение автодорожного тоннеля Массенберг длиной 400 м, пройденного в сланцах на глубине 60 м. Обделка тоннеля (рис. 210, а) состоит из набрызг-бетонной оболочки / толщиной 20 см, опирающейся на обратный свод 4, и свода 2 из монолитного бетона, поддерживающего слой 3 гидроизоляции.
Проходку калотты I (рис. 210, б) вели полукольцами длиной до 1,5 м с закреплением железобетонными анкерами длиной 4 м, связанными с решетчатыми дугами, с последующим нанесением по сетке слоя II набрызг-бетона.
После раскрытия нижней части III калотты устанавливали измерительные анкеры IV длиной 6 м через 30 м друг от друга.
Разработка боковых штросс V с установкой анкеров и нанесением набрызг-бетона VI завершала создание по подковообразному контуру выработки податливой оболочки. Ядро VII разрабатывали под защитой оболочки, деформации которой регулярно контролировались.
Замыканию обратного свода УШ, которое проводили через 15 суток после начала раскрытия сечения, соответствовали горизонтальные и вертикальные деформации выработки, не превосходившие 60—70 мм. Скорость возведения оболочки составляла около 1,5 м/сут. Через 3—5 месяцев наблюдений за состоянием оболочки на ее поверхность наносили гидроизоляцию и бетонировали внутреннюю обделку.
§ 61. НАГНЕТАНИЕ ЗА ОБДЕЛКУ
Для обеспечения совместной работы обделки и окружающей породы и предотвращения ее осадок все пустоты за обделкой, а также за оставляемыми элементами временной крепи следует тщательно заполнять. Это достигается нагнетанием за обделку цементно-песчаного раствора, слой которого одновременно способствует более равномерному распределению горного давления, уменьшает водопроницаемость окружающих пород и защищает обделку от агрессивных подземных вод.
Нагнетание выполняют в два приема: первичное (цементно-песчаные растворы) и контрольное (цементное молоко). Целью контрольного нагнетания, которое проводят под повышенным давлением, является заполнение пустот и трещин, оставшихся после первичного нагнетания, и обеспечение совместной работы системы «обделка — порода».
К моменту производства контрольного нагнетания горное давление на обделку обычно стабилизируется. Контрольное нагнетание может вызвать в отдельных случаях неравномерное возрастание контактных напряжений по контуру обделки, причем увеличение и неравномерность их распределения тем больше, чем выше крепость окружающих пород и чем больше величины переборов.
В благоприятных условиях процесс нагнетания за монолитную обделку может быть упрощен. Так, например, в скальных породах бока выработки обычно не закрепляют досками и стены обделки (бетонируемые в передвижных формах с подачей бетонной смеси бетоноукладочными машинами под давлением и с тщательным вибрированием) плотно, без зазоров примыкают к породе. В этом случае нагнетание необходимо главным образом за сводчатую часть обделки, где можно оставлять доски, предупреждающие местные вывалы из кровли, и где образуются зазоры вследствие усадки, а также осадки свеже-уложенной бетонной смеси под действием собственного веса.
Цемент для нагнетания выбирают с учетом агрессивности подземных вод. марки его — 400—500.
Состав растворов назначают в зависимости от типа и обводненности обделки. Первичное нагнетание за монолитную бетонную и сборную железобетонную обделки производят цементно-песчаным раствором состава: 1 : 2, за сборную чугунную обделку — состава 1 : 3, контрольное нагнетание во всех случаях — цементным молоком (состав 1:0).
Для облегчения нагнетания, уменьшения расслаиваемости раствора п возможности регулирования сроков схватывания в раствор и цементное молоко вводят специальные добавки, придающие им требуемые свойства.
В качестве добавок при нагнетании за необводненную монолитную обделку служат термополимер, мылонафт, бентонитовая глина или хлористый кальций. В случае обводненных обделок применяют разные добавки: при первичном нагнетании — алюминат натрия, хлористый кальций, хризотиловый асбест, при контрольном нагнетании — хлористый кальций, смолу МФ-17 или фуриловый спирт с соответствующими отвердителями.
Наибольшее распространение имеют хлористый кальций (добавляемый в количестве 2% массы цемента) и алюминат натрия (3% массы цемента), ускоряющие схватывание и раннее твердение раствора, а также повышающие его водонепроницаемость. Алюминат натрия, увеличивающий содержание гелеобразных составляющих чшентиого камня, предотвращает расслоение и уменьшает размываемость раствора, а также увеличивает его морозостой-216
кость, что имеет особенное значение при сооружении монолитных обделок железнодорожных тоннелей, подвергающихся значительным колебаниям температуры.
Первичное нагнетание выполняют под давлением 5 кгс/см2 пневматическими аппаратами с непрерывным перемешиванием раствора, к которым относится, например, аппарат Дмитровского завода (рис. 211).
Пневматический растворонагнетатель представляет собой горизонтальный цилиндр /, имеющий загрузочную воронку 2, закрываемую конусным затвором 3. Загрузка цилиндра производится сухой смесью (цемент и песок), доставляемой в закрытых контейнерах. Внутри растворонагнетателя находятся вращающиеся лопасти 4, перемешивающие сухую смесь с водой в течение 5 мин. Затем раствор выталкивается в шланг 5 давлением сжатого воздуха. Пневматические аппараты просты по конструкции, не имеют трущихся частей и могут нагнетать растворы сравнительно густой консистенции, но насыщают раствор сжатым воздухом, что отражается на водопроницаемости заполнения за обделкой. Их производительность не превышает 2 м3/ч.
Для контрольного нагнетания применяют двухплунжерный насос Лен-метростроя, который работает в комплексе со специальной растворомешалкой емкостью 500 л и обеспечивает давление до 16 кгс/см2, регулируемое в широких пределах. Производительность насоса достигает 4 м3/ч. Насос смонтирован на тележке с колеей 600 мм и имеет габаритные размер 1480 X 1050 X X 535 мм. Недостатком плунжерных насосов является сильный износ частей, движущихся в абразивной среде.
Нагнетаемый раствор подается по резиновым шлангам диаметром не менее 50 мм к отверстиям, оставленным в обделке при бетонировании или пробуренным после ее раскружаливания.
При бетонировании в обделку закладывают стальные трубки диаметром 40—50 мм с резьбой на конце, выступающие внутрь тоннеля на 5—8 см. При наличии трубки шланг присоединяют к ней на резьбе при помощи муфты, при отсутствии трубки — при помощи патрубка, закрепляемого в отверстии обжатием резинового кольца (рис. 212).
Отверстия для нагнетания располагают через 2 м в шахматном порядке. Первичное нагнетание за монолитную обделку производится после достижения ею проектной прочности на участке длиной 20—30 м. Нагнетание ведут одновременно по обе стороны от оси тоннеля за стены и свод. За обратный свод нагнетание не делают.
Порядок нагнетания за монолитную обделку показан на рис. 213. В числах, стоящих у шпуров, первая цифра (арабская для первичного и римская для контрольного нагнетания) обозначает номер горизонтального или вертикального ряда, вторая цифра — номер шпура в ряду.
Рис. 211. Пневматический аппарат для нагнетания раствора за обделку
Рис. 212. Закрепление штуцера в шпуре:
I — резина; 2 — резьбовая связь; 3 — шланг; 4 — рукоятка
Оси свода
jfe Контрольное нагнетание
Рис. 213. Схема очередности нагнетания
Первичное нагнетание за стены ведут горизонтальными рядами, начиная с нижнего на высоте 1 м выше подошвы стен, до отказа при предельном давлении. По окончании первичного нагнетания за стены начинают нагнетание за свод кольцевыми рядами (через один ряд).
Контрольное нагнетание делают после отвердения раствора первичного нагнетания (не ранее чем через двое суток) до прекращения поглощения цементного молока в течение 10—15 мин при предельном давлении. После окончания нагнетания отверстия заполняют раствором на всю глубину, выступающие концы трубок срезают и заштукатуривают.
Качество работ по нагнетанию проверяют нагнетанием цементного молока через дополнительно пробуренные шпуры, которые не должны принимать его при предельном давлении. При возведении бетонной обделки по частям допускается производить нагнетание за части обделки до полного ее возведения.’
§ 62. ГИДРОИЗОЛЯЦИЯ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК
Наиболее распространенными средствами герметизации тоннелей в водоносных породах являются нанесение торкрета и оклеечной гидроизоляции.
Торкрет. Торкрет наносят на внутреннюю поверхность обделки с помощью пневматической цемент-пушки (производительность до 1,5м3/ч, расход сжатого воздуха 3—6 м3/м). Давлением сжатого воздуха (до 4,5 кгс/см2) сухая смесь цемента и песка (состав 1 : 2—1 : 4) подается по гибкому шлангу к соплу и после увлажнения в нем водой (давление на 1 кгс/см2 больше, чем сжатого воздуха) с силой набрызгивается на изолируемую поверхность. Образование торкретного слоя сопровождается непрерывным уплотнением ударами песчинок, обеспечивающим высокие качества покрытия. Торкретирование ведут слоями толщиной 5—12 мм с общей толщиной покрытия 20—40 мм. Так как более тонкие слои являются более плотными, слой, прилегающий к обделке, и наружный слой, подвергающийся выветриванию, делают более тонкими, чем остальные слои. Каждый последующий слой наносят после затвердения предыдущего (обычно через 8—12 ч).
Материалами для торкретирования служат чистый песок крупностью лс» 5 мм и цемент марки не ниже 300, подбираемый с учетом агрессивности подземных вод.
При напорах подземных вод, превышающих 5 м вод. ст., торкретный слой армируют сеткой из проволоки диаметром 3—5 мм, прикрепляемой к обделке анкерами, располагаемыми через 40 см.
Поверхность для торкретирования подготавливают посредством насечки бетона отбойными молотками с очисткой пескоструйным аппаратом и промыв-218
кой водой под давлением. Перед торкретированием поверхность увлажняют, а воду, просачившуюся через обделку, отводят через трубки, заложенные в бетоне. Температура поверхности должна быть не ниже +5° С. Для уменьшения усадки влажность торкрета на обычном цементе поддерживают в течение двух недель, на пуццолановом — в течение трех недель.
Торкретное покрытие обеспечивает достаточную механическую прочность (до 30—40 кгс/см2 на растяжение), хорошее сцепление с бетоном (до 10— 12 кгс/см2), особенно при наличии сетки из арматуры, и водонепроницаемость при небольших напорах воды. Незначительная фильтрация воды через торкретное покрытие компенсируется ее испарением с поверхности торкрета, вследствие чего эта поверхность производит впечатление сухой. Работы по торкретированию в значительной степени механизированы.
К недостаткам торкрета относятся: его жесткость, ведущая к трещинооб-разованию при неравномерных осадках; возможность возникновения усадочных трещин, уменьшаемая применением безусадочного цемента (марки ВВЦ) и армирование сетками; большой расход цемента (750—850 кг/м3 при составе смеси 1 : 3) и значительный отскок частиц от поверхности (до 40—80% от потолка).
Оклеенная гидроизоляция. Оклеенная гидроизоляция состоит из нескольких слоев рулонного материала, соединенных и наклеенных на изолируемую поверхность пластичной водонепроницаемой массой. Изнутри тоннеля гидроизоляция, подвергающаяся наружному гидростатическому давлению, поддерживается железобетонной оболочкой, воспринимающей это давление. В качестве прочной основы оклеенной гидроизоляции тоннелей принимают материалы неорганического происхождения, не подверженные гниению, например гидроизол, получаемый путем пропитки асбестового картона мягкими беспарафинистыми битумами.
Число слоев рулонного материала в изоляционном покрытии определяют в зависимости от напора подземных вод, но назначают не менее трех слоев гидроизола.
Битумная мастика, являющаяся собственно изолирующим материалом изготовляется из нефтяных беспарафинистых битумов. При рабочей температуре в тоннеле выше +7° С применяют битум марки III, при более низких температурах — смесь битумов марок II и III.
Мастику наносят при температуре не менее 150° Сив случае необходимо" сти подогревают электрическим способом. Поверхность, подлежащую изоляции, выравнивают цементной штукатуркой состава 1 : 3 или при хорошем качестве поверхности затирают цементным раствором с устройством выкружек в местах переломов контура радиусом не менее 10 см. Влажную поверхность штукатурят цементным раствором состава 1:2с добавкой 10—20% жидкого стекла (от массы цемента).
Изоляцию укладывают на сухую отвердевшую поверхность снизу вверх при температуре не ниже +5° С и не выше 20° С.
При укладке рулоны гидроизола раскатывают в направлении, перпендикулярном оси тоннеля. Вдоль тоннеля полотнища перекрывают друг друга на 10 см с взаимным сдвигом стыков на 1/3 ширины полотнища (рис. 214, а). Поперек тоннеля полотнища соединяют вразбежку со сдвигом смежных стыков на 10 см в обратном своде и стенах или в двойную вилку (рис. 214, б) с взаимным перекрытием полотнищ на 20 см (в верхнем своде).
На законченное гидроизоляционное покрытие наносят отделочный слой горячей битумной мастики толщиной 2—3 мм, после остывания которого укладывают так называемую стяжку из цементного раствора состава 1 : 3 толщиной не менее 2 см. Назначение стяжки — защита покрытия от повреждений во время укладки арматуры и защита арматуры от загрязнения битумом. Стяжка обычно отсутствует лишь на внутренней поверхности верхнего свода, где ее уложить трудно. Здесь между гидроизоляцией и арматурой помещают прокладки из цементного раствора.
Рис. 214. Перевязка листов гидроиэола
При устройстве гидроизоляционного покрытия тоннеля, сооружаемого горным способом, работы выполняют в три очереди.
В первую очередь укладывают и покрывают стяжкой гидроизоляцию нижней части сечения тоннеля до его горизонтального диаметра. Затем устанавливают арматуру и бетонируют нижнюю часть поддерживающей железобетонной оболочки.
Во вторую очередь ведут гидроизоляцию и бетонирование железобетонной оболочки на боковых частях верхнего свода, соответствующих каждая центральному углу 60°. На этом участке стяжка имеет толщину 5 м/1л или отсутствует совершенно.
В третью очередь наклеивают гидроизоляцию в замковой части и после отвердения бетона железобетонной оболочки в зазор между ней и гидроизоляционным покрытием производят нагнетание жирного цементного раствора через отверстия, расположенные вдоль шелыги свода через 75—100 см одно от другого.
В местах осадочных швов гидроизоляцию снабжают компенсирующими устройствами, обеспечивающими ее целость при небольших взаимных смещениях частей сооружения. Принцип устройства компенсаторов гидроизоляции заключается в создании складки, распрямляющейся при возможных осадках. Складку располагают в штрабе, предусмотренной в изолируемой поверхности, и заливают битумной мастикой.
Хорошо выполненная оклеечная гидроизоляция описанной конструкции обеспечивает полную водонепроницаемость тоннельной обделки, которая не нарушается при неравномерных осадках и образовании трещин в бетоне. Ее недостатками являются необходимость в поддерживающей внутренней оболочке с соответствующим увеличением объемов проходческих и бетонных работ, а также большая трудоемкость ее устройства, связанная с применением горячей битумной мастики.
Значительным шагом вперед является внедрение безмастичной (термопластичной) гидроизоляции из рулонных битумизированных материалов на стекловолокнистой основе. Такие материалы получили распространение как за рубежом (склобит, панцерит и т. п.), так и в Советском Союзе (стеклобнт).
Стеклобит представляет собой стекловолокнистую ткань, покрытую с двух сторон слоями термопластичной массы из тугоплавкого битума. Особенностями этой массы являются ее морозостойкость в значительном интервале температур и быстрый переход при нагреве в капельно-жидкое состояние.
Стеклобит имеет толщину около 4 мм и выпускается рулонами шириной 92 и 101 см. Гидроизоляцию из стеклобита устраивают двухслойной со стыками внахлестку на половину ширины рулона. Она выдерживает давление воды до 5 кгс/см2.
Подготовка гладкой поверхности к нанесению гидроизоляции заключается в ее очистке и окраске битумным лаком. Стеклобит наклеивают на слой высохшего лака, прогревая газовоздушными горелками покровный слой, обращенный к изолируемой поверхности, с последующим непрерывным раска-220
тыванием рулона. Прогрев изолируемой поверхности и рулона обеспечивает хорошее сцепление между ними и исключает возможность оставления пузырь-юв воздуха.
Оплавлением стеклобита газовоздушными горелками трудно добиться равномерного прогрева как по ширине, так и по толщине материала, вследствие чего в гидроизоляционном покрытии возможны мелкие дефекты. Более велесообразен инфракрасный нагрев, обеспечивающий эффективное оплавле-ine материала за счет высокой плотности излучения и большой поглощающей ссюсобности битума.
Применение термопластичной гидроизоляции позволяет отказаться от специального оборудования и работ, связанных с варкой, транспортом и нанесением горячей битумной мастики. Благодаря этому трудоемкость работ уменьшается в 2—3 раза и улучшается качество гидроизоляции, так как равномерная толщина битумного слоя обеспечивается в заводских условиях. Наклеивать гидроизоляцию можно при низких температурах (до минус 15—20“ С).
В особо неблагоприятных гидрогеологических условиях, при больших напорах подземных вод или в особенно ответственных сооружениях (например, станции метрополитена) на коротких участках применяют гидроизоляцию с стальных листов толщиной 6—8 мм с приваренной к ним зигзагообразной арматурой или анкерами.
После установки листов по внутренней поверхности их соединяют между •обой сплошным сварным швом. Эти листы используют при бетонировании обделки в качестве опалубки.
Гидростатическое давление воспринимается стальными листами и через арматуру передается на бетонную обделку, работающую, таким образом, на суммарное действие горного и гидростатического давления. Поверхность лп-:тов защищают от коррозии торкретным покрытием по приваренной к ним стальной сетке. Распространение этого наиболее надежного вида гидроизоляции ограничено дефицитностью листовой стали.
Для гидроизоляции тоннельных обделок возможно также применение покрытий из компаундов эпоксидных смол, наносимых механизированным способом на изолируемую поверхность. Высокое сцепление экпоксидных смол с бетоном позволяет отказаться от внутренней поддерживающей конструкции.
Компаунд представляет собой коллоидный раствор из эпоксидной смолы ? отвердителя (например, полиэтиленполиамина). Свойства компаунда в значительной степени определяются количеством отвердителя.
В настоящее время разрабатываются компаунды, обладающие стабильными свойствами в условиях переменной температуры и влажности, харак-•ерных для транспортных тоннелей, а также технология нанесения покрытий компаундов и мероприятия по их защите.
Глава 15
ОБЕСПЕЧЕНИЕ НОРМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ РАБОТ ПРИ ПРОХОДКЕ ТОННЕЛЕЙ
§ 63. ВЕНТИЛЯЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК
Требования к вентиляции. Важнейшим условием безопасной и производительной работы по проходке является вентиляция, обеспечивающая нормальные состав, температуру и влажность воздуха.
Естественная вентиляция допускается, как исключение, при наличии в подземной выработке сквозного хода, создающего необходимую тягу, и в случае коротких выработок, имеющих выход на поверхность, при организации проходки, исключающей выделение ядовитых газов.
Воздух подземной выработки должен содержать по объему не менее 20 % кислорода и не более 0,5% углекислого газа и иметь температуру не ниже +2° С зимой и не выше 25° С летом.
Серьезную опасность представляет выделение метана, при концентрации от 5—6 до 14—16% по объему образующего с воздухом гремучую смесь, взрывающуюся при воспламенении. Допустимой является концентрация метаиа, не превышающая 1%. В противном случае необходимо удаление рабочих из выработки и принятие мер к снижению концентрации метана (усиленное проветривание).
Правилами безопасности требуется не реже одного раза в неделю делать лабораторный анализ воздуха выработки на содержание кислорода, углекислого газа, окиси углерода и метана.
При отсутствии взрывных работ и действующих двигателей внутреннего сгорания в выработку следует подавать в минуту не менее 6 м3 чистого воздуха на каждого рабочего, находящегося под землей.
Взрывные работы сопровождаются выделением значительных объемов ядовитых газов (окиси углерода, окислов азота и т. п.), содержание которых обычно приводит к эквивалентному по вредности объему окиси углерода. В соответствии с Правилами безопасности на строительстве тоннелей и метрополитенов принимают, что при взрыве 1 кг ВВ, применяемых при проходке подземных выработок, образуется 40 л условной окиси углерода. В начале проходки эту величину уточняют непосредственным измерением объемов составляющих газов взрывания.
При использовании в выработке оборудования с двигателями внутреннего сгорания обязательно применение нейтрализаторов отработавших газов и выключение двигателей у автомашин, находящихся под погрузкой. В атмосферу подземной выработки поступают содержащиеся в выхлопных газах автомашин дополнительные объемы окиси углерода и окислов азота, а также акролеин.
Задачей вентиляции при проходке является разбавление вредных газов до допустимой концентрации (для окиси углерода до 0,0016%, окислов азота— 0,0001%, акролеина — 0,00008% по объему).
Допуск рабочих в забой разрешается после разбавления условной окиси углерода до 0,008% по объему к концу намеченного времени проветривания (не более 30 мин). Эта концентрация в пять раз превосходит допускаемую при продолжительном пребывании (0,0016%). Поэтому после допуска рабочих в забой необходимо непрерывное проветривание в объеме не менее 60*» первоначального.
Схемы проветривания глухих выработок. Тоннельные выработки проходят, как правило, глухим забоем. Схемы вентиляции выбирают в соответствия с расположением по длине выработки источников вредностей, которые определяют необходимый объем проветривания.
о)
ло
б)
6)
г)
Рис. 215. Схемы проветривания глухих выработок
Если в выработке отсутствует выделе-ве вредных газов и задачей вентиляции вляется обеспечение свежим воздухом находящихся в ней людей, применяют приточное проветривание.
При проходке взрывным способом на выбор схемы вентиляции влияет вид трансаорта, применяемого в выработке.
При электровозной откатке основной задачей вентиляции является разбавление газов взрывания. Целесообразно предотвратить их распространение по выработке в как можно скорее удалить из забоя. Для этого применяют вытяжное проветривание, обеспечивающее возможность допуска работах в забой, с последующим переходом к вриточному проветриванию с подачей свежего воздуха в призабойное пространство — место наиболее интенсивной работы.
При безрельсовом транспорте (автосамосвалы, думперы) основной задачей вентиляции является разбавление вредных составляющих выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. В этом случае
применяют приточно-вытяжное проветривание с подачей свежего воздуха в забой во время транспортных операций и последующим переходом к вытяж-аому проветриванию после взрывания.
При вытяжном проветривании (рис. 215, а) отсасывание воздуха из забоя производится вентиляторами 1 к порталу или скважине, пробуренной с поверхности, по вентиляционным трубам жесткой конструкции, концы которых располагают на расстоянии не более 10 м от забоя.
В таком виде вытяжное проветривание малоэффективно, так как газы в призабойном пространстве плохо перемешиваются и засасываются в трубу лишь с расстояния, не превышающего 1,5 м. Поэтому возможно их скопление в сводовой части выработки. Для ускорения очищения забоя от газов взрывания в призабойном пространстве устанавливают вентилятор-побудитель 2, который подает воздух из выработки к забою и обеспечивает перемешивание и удаление вредных газов. Конец трубы такого вентилятора располагают не ближе 10 м от конца вытяжной трубы.
При вытяжном проветривании воздух, проходя от портала вдоль выработки, загрязняется, увлажняется, нагревается и поступает к забою неполноценным. Поэтому после допуска рабочих в забой обычно переходят на приточное проветривание, обеспечивающее поступление в забой свежего воздуха.
При приточном проветривании (рис. 215, б) вентиляционные трубы могут быть как жесткой, так и гибкой конструкции. Конец приточной вентиляционной трубы должен находиться от забоя на расстоянии, не превышающем длины зоны действия свободной струи /с (м), определяемой по формуле
/с
(160)
площадь сечения выработки, м2;
площадь сечения вентиляционной трубы, м2.
приточно-вытяжном проветривании (рис. 215, в)
где S —
О) —
При
вентиляционные трубы должны быть жесткой конструкции, так как они используются и для притока, и для вытяжки воздуха. Конец приточной вентиляционной трубы располагают так же, как и при приточном проветривании.
Конец трубы от вентилятора-побудителя 2, необходимого при переходе на вытяжное проветривание (рис. 215, г), выдвигают не менее чем на 10 м относительно конца приточного воздухопровода в сторону забоя.
Во всех случаях забор воздуха у портала должен производиться иа расстоянии не менее 15 м от места выхода загрязненного воздуха.
Определение объема проветривания. Для эффективного проветривания тоннельной выработки необходим объем воздуха, обеспечивающий разбавление до допустимой концентрации вредных газов, образующихся при взрывании забоя и работе двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, скорость движения воздуха по выработке должна быть достаточной (не менее 0,15 м/с> для поддержания устойчивого турбулентного режима, при котором поток воздуха двигается всем сечением.
Объем проветривания выработки можно определить по методике, разработанной ЦНИИСом Минтрансстроя и изложенной в Методических указаниях по проектированию вентиляции при сооружении железнодорожных тоннелей и тоннелей метрополитена.
Определение объема проветривания по разбавлению газов взрывания. Объем воздуха Qa (м3/с), подаваемого через приточный воздуховод или от вентилятора-побудителя,
Qn^4,l A^lgfa^-V (161,
Г \ о /
где /с — максимально допустимое расстояние конца вентиляционной трубы от забоя, определяемое по формуле (160), м;
S — площадь сечения выработки, м2;
t — время проветривания, с;
а — коэффициент, равный 26 или 48 соответственно для выработок сечением 12 — 40 м2 и 41 — 95 м2;
/к — длина комплекта шпуров, м;
у — объемный вес взрываемой породы, тс/м3.
Объем воздуха (м3/с), отсасываемого вытяжным воздуховодом, назна* чают больше объема, подаваемого к забою, чтобы обеспечить движение воздуха в выработке по направлению к забою и затруднить распространение вредных газов. При сечении выработки, большем 41 м2, можно принимать QB = - (1,1 - 1,2)<?п.
Определение..объема проветривания по разбавлению выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. Интервал движения А/ между машинами во время погрузочно-разгрузочных работ, занимающих в проходческом цикле период /п, с,
А/ = Z"1k., (162»
Vn
где Кп—объем взорванной породы с учетом коэффициента перебора, jt —объем кузова автомобиля-самосвала, м3, определяемый по формуле
V — -р-
К Y ’
(1S5.
Р — грузоподъемность автомобиля-самосвала, тс;
— коэффициент разрыхления породы.
Объем воздуха Qn (м3/с), подаваемого по приточному воздухопроводу.
<?п = сог + (?г сог + 9п Соп) ( + 0,25 ) 1,
С» ц \ £л1 U [ J
где kr — коэффициент неравномерности концентрации выхлопных газов по сечению выработки, равный 1,3 при длине выработки £ > 2 км и 1,7 при £ ^ 2 км;
/г2 — коэффициент, учитывающий поглощение выхлопных газов поверхностью выработки (для газов дизельных машин k2 равен 1,0; 0,75 и 0,5 соответственно в сухих, увлажненных и сильно обводненных выработках; для газов карбюраторных машин Л, = 1,0);
Ск — предельно допустимая объемная концентрация окиси углерода (Ск = 1,6 - 10-5);
т — число машин, находящихся в забое (при погрузке породы в забое обычно находятся две машины, одна из которых загружается, а другая совершает маневр и подается под погрузку);
Сог и Соп — начальные приведенные к окиси углерода объемные концентрации ядовитых газов в выхлопе машин;
qr и qn — объемы выхлопных газов, выделяемых соответственно груженой и порожней машинами, м3/с;
£ — длина выработки, м;
v — средняя скорость движения груженых и порожних автомобилей-самосвалов, м/с.
Наиболее распространенный в тоннельном строительстве автомобиль-самосвал МАЗ-503 грузоподъемностью 7 тс при движении по тоннелю со скоростью 4,2 м/с выделяет выхлопные газы в объеме qT = qa = 8,6 • Ю-2 м3/с.
Начальные концентрации приведенной окиси углерода в выхлопных газах составляют: при наличии нейтрализатора Сог = 1,4 • 10-3 и Соп = 1,2 - 10“3; без нейтрализатора Сог = 2,1 • 10-3 и Соп = 1,8 • 10“3.
Определение объема проветривания по минимальной скорости движения воздуха в выработке. В выработках сечением 5 40 м2 при umin = 0,1 м/с объем проветрива-
ния (м3/с) составляет
Q = 0,15. (165)
При большей площади сечения выработки скорость движения воздуха не лимитируется и определяется объемами проветривания, соответствующими разбавлению вредных газов.
Вентиляционные трубы и подбор вентиляторов. Воздух перемещается по металлическим или матерчатым трубам, подвешенным к элементам временной крепи или к постоянной обделке.
Наибольшее распространение имеют стальные трубы внутренним диаметром 600—1500 мм с толщиной стенок 2—3 мм при длине звена не менее 3 м. Соединение труб фланцевое на болтах с уплотнением (прокладки из резины, картона или холста, пропитанных битумом), предотвращающим утечки воздуха. При значительной длине воздухопровода может оказаться целесообразной сварка двух-трех звеньев для сокращения числа стыков и уменьшения потерь воздуха через них.
В зарубежной практике успешно применяют вентиляционные трубы из алюминиевых сплавов диаметром от 0,7 до 1,5 м. Соединение отдельных труб осуществляют вставным звеном. Стыки герметизируют липкими лентами. Такие трубы имеют аэродинамическое сопротивление на 70% меньшее, чем у стальных труб, очень удобны вследствие малой массы и стойки против коррозии.
Матерчатые трубы типа М, применяемые при приточном проветривании в выработках длиной до 100 м и у забоя в выработках большей протяженности, имеют диаметр до 600 мм. Их сшивают из продольных полотнищ двусторонней прорезиненной ткани толщиной 0,8—1,2 мм и распирают вшитыми в них проволочными пружинящими кольцами. Длина звеньев труб от 5—10 до 20—30 м. Соединение звеньев обеспечивается концевыми кольцами с последующим растяжением трубы. На стык надевают шарнирный стальной хомут 8 Зак. 1207 225
с рычажным замком. В горизонтальных выработках трубы подвешивают на крюках к туго натянутому тросу диаметром 5—6 мм, который крепят через
4—5 м.
К преимуществам матерчатых труб относятся малый вес, удобство перемещения, малое число стыков, плотность которых возрастает с увеличением напора в трубе, а также возможность оттягивать конец трубы от забоя перед взрывом и подводить его к забою для более полного проветривания после взрыва.
Применяют также матерчатые трубы, покрытые изнутри полихЛорвини-ловым пластикатом и обладающие поэтому весьма малым аэродинамическим сопротивлением. Для приточного (нагнетательного) проветривания применяют трубы типа TH, для вытяжного проветривания — трубы типа ТВ, армированные стальной проволочной спиралью.
Утечки или подсос воздуха через стыки труб зависят от степени воздухопроницаемости стыка, количества стыков и аэродинамического сопротивления кг/ма трубы.
Для круглой трубы
(166) а6
где а — аэродинамический коэффициент, имеющий размерность плотности и равный для стальных труб диаметром 600, 700—900 и 1000 мм соответственно 3,5-10-4; 3• 10~4 и 2,5-10“*;
L — длина трубы, м;
d — внутренний диаметр трубы, м.
Коэффициент потерь или подсоса воздуха через стыки определяют по формуле
р = +112, (167)
L 3m J
где k — коэффициент воздухопроницаемости стыка, для стальных труб с удовлетворительным уплотнением стыков равный 0,001;
т — длина звена трубы, м.
По нормам потери воздуха в воздухопроводе не должны превышать 5% на 100 пог. м его длины. Поэтому допустимое значение коэффициента потерь воздуха
р = 1 + 0.5L,
где L — длина трубы, км.
С учетом потерь воздуха через стыки производительность вентилятора
QB = pQ, (168)
где Q — объем проветривания, определяемый по формулам (161), (162), (164) или (165).
Перемещение воздуха обеспечивается за счет создаваемого вентилятором напора Н, который равен сумме статического напора hcr, расходуемого на преодоление трения по длине трубы, напора на преодоление местных сопротивлений hM_c и динамического напора ha, нужного для выхода воздуха из трубы. Напоры измеряются в миллиметрах водяного столба (1мм вод. ст. = 1 кгс/см2):
Н = Лст + Лм.с+Лд. (169)
Статический напор hCT (в мм вод. ст.) равен
Лет = ^н«к. (170)
где и Qk — сооответственио начальный и конечный объемы входящего и выходящего из трубы воздуха, м3/с.
Местные сопротивления обычно учитывают увеличением фактической длины трубопровода и включаются, таким образом, в величину статического 226
Рис. 216. Схема трубопровода переменного сечения
4 g “Рг Pi®n f Pj^n
____J —
« t? у
Рг
напора (колено, изогнутое под углом 90°, эквивалентно двадцати; колено, изогнутое под углом 135°, — десяти диаметрам трубы).
Динамический напор (в мм вод. ст.) можно определить по характеристике вентилятора или по формуле
*|2
Лд=Р-7’ <171)
где р— плотность воздуха, принимаемая равной 0,122 кг/м3;
Q
v = — скорость, м/с, выхода воздуха из трубы сечением со, м .
При подборе диаметров вентиляционных труб следует иметь в виду, что сопротивление от трения в трубах обратно пропорционально пятой степени диаметра. Поэтому при большой длине трубы малого диаметра может потребоваться слишком большой напор вентиляционной установки. Кроме того, необходимо учитывать, что по условиям размещения и подвески в призабойном пространстве нежелательно применять трубы диаметром более 600 мм. В связи с этим могут быть рассмотрены следующие решения:
1. Одна или две трубы постоянного по всей длине выработки диаметра. В случае двух труб с двумя параллельно работающими установками через каждую трубу проходит половина необходимого количества воздуха со статическим напором, который пропорционален квадрату объема воздуха и, следовательно, в 4 раза меньше, чем при одной трубе.
При наличии одной трубы, пропускающей полное количество воздуха, статический напор часто получается очень большим. Поэтому по длине трубы устанавливают несколько одинаковых вентиляторов с соответственно меньшим напором.
2. Труба из двух участков разного диаметра (рис. 216). В этом случае от забоя до готового тоннеля подвешивают трубу диаметром dt не более 600 мм, а далее — до вентиляционной установки — трубу большого диаметра d2 (до 1000—1500 мм). Потери напора подсчитывают отдельно по участкам, и вентиляционная установка должна преодолеть их сумму.
Для участка 1:
QK = Qn> Qh = Pl Qn*
Согласно формуле (170)
ЛСт.1= Pi Bi Qn*
Для участка 2:
Qk = Pl Qn> Qh = Pi Pl Qn-
Согласно формуле (170)
^ст2 = Pi Pi Qn«
И здесь возможно последовательное соединение двух и более вентиляторов, устанавливаемых в тоннеле по мере продвижения забоя выработки.
Наиболее рационально размещение вентиляционных труб в сводчатой части выработки с подвеской на специальных анкерах (одном-двух на каждое звено трубы). При применении передвижных опалубок следует применять такую подвеску на участке бетонирования и твердения обделки, чтобы при перемещении опалубки не возникали дополнительные трудоемкие работы. Хоро-8» 227
шим решением является размещение в конструкции каждой секции опалубки отрезка трубы так, чтобы после установки опалубки через весь занятый ею участок образовывался непрерывный воздухопровод.
Для проветривания подземных выработок следует применять вентиляторы малых размеров с диаметром колеса, соответствующим диаметру вентиляционной трубы, и коэффициентом полезного действия не менее 0,5. Применяют два типа вентиляторов: осевые и центробежные. Первые компактны: имеют малую массу и легко размещаются вместе с двигателем внутри трубопровода. Вторые громоздки, но работают более спокойно и длительное время не требуют ремонта. Коэффициент полезного действия у осевых вентиляторов несколько выше, чем у центробежных.
В отношении реверсивности, т. е. возможности изменения направления действия на обратное, вентиляторы равноценны, так как для сохранения проектной производительности в обоих случаях приходится применять обходные устройства (рис. 217). Закрытию окна 2 и заслонки 4 на трубах обходного устройства соответствует нагнетание воздуха в выработку, при закрытии окна 3 и заслонки 1 производится вытяжка воздуха из выработки при постоянном режиме работы вентилятора.
Одним из наиболее подходящих для проветривания глухих выработок является осевой двухступенчатый вентилятор «Проходка», выпускаемый для труб диаметром 500 и 600 мм. Вентилятор «Проходка-600», обеспечивающий при производительности 5 м3/с напор около400 мм вод. ст. с к. п. д., равным 0,70, имеет габаритные размеры 1095 х 730 X 730 мм.
Вентиляторы подбирают по графикам (рис. 218) — характеристикам, дающим зависимость общего напора Н и коэффициента полезного действия т) от производительности вентилятора (?в.
При заданных QB м3/с и /iCT мм вод. ст. могут быть подобраны несколько вентиляторов. Наиболее экономичен из них вентилятор, потребляющий минимальную мощность, т. е. характеризующийся наименьшим отношением
^ст ~г^д
’1
так как потребная мощность (кВт) равна
W = 1,05 2в(Аст+/|д1 (1 72»
102т»
где 1,05 — коэффициент, учитывающий трение в подшипниках.
Во многих случаях, особенно в длинных выработках, проветривание представляет значительные технические и экономические трудности. Поэтому при проектировании организации работ следует стремиться к возможному сокращению объема вентиляции, чему способствует проведение следующих
Рис. 217. Реверсирование воздушного потока
Рис. 218. Характеристики вентиляторов 228
мероприятий: сокращение утечек воздуха за счет увеличения диаметров труб, тщательного уплотнения или сварки стыков и замены одного вентилятора несколькими вентиляторами меньшего напора, расположенными последовательно по длине воздухопровода, а также укорочения воздухопровода вытяжкой воздуха через скважины диаметром до 500 мм, пробуренные с поверхности через 300—400 м.
При безрельсовом транспорте рекомендуются дополнительно следующие мероприятия:
применение дизельных машин, дающих меньшие количества и концентрацию вредных газов;
увеличение скорости движения автосамосвалов по тоннелю и интервалов между ними (следует использовать большегрузные машины);
орошение поверхности выработки в призабойной зоне и на выходе из тоннеля, а также устройство водяных завес для поглощения из выхлопных газов окислов азота и альдегидов.
§64. ВОДООТВОД И ВОДООТЛИВ ПРИ ПРОХОДКЕ ВЫРАБОТОК
Водоотлив — важное условие успешного проведения подземных работ. Одновременно с продвижением забоя по оси выработки или у одной из ее стен устраивают канавку для отвода поступающих подземных вод и воды от промывки при бурении шпуров. Размеры канавки принимают в соответствии с ожидаемым притоком воды, исходя из нормальной скорости ее течения 0,4—0,6 м/с и установившегося уровня не выше чем 10 см от пола выработки.
Зависимость между расходом воды Q, площадью живого сечения канавки ю и ее уклоном i установливается формулой Шези:
Q = toc |//?i, (17 3)
где R — гидравлический радиус сечения канавки.
Значение коэффициента с определяют по формуле
с =----------, (174)
где у — коэффициент шероховатости поверхности, изменяющийся в пределах от 0,16 (для неостругаиных досок) до 0,85 (для чисто обработанной скалы).
Ширину канавки в свету обычно принимают равной 40—70 см. В случае необходимости стенки канавки закрепляют досками с целью предотвращения их разрушения и обеспечения меньшего сопротивления движению воды.
Если выработка идет на подъем, вода удаляется из нее самотеком. При проходке под уклон по длине выработки устраивают систему водосборников глубиной не менее 0,8 м, соединяемых канавками, имеющими уклон к порталу (рис. 219).
Расстояние между водосборниками
hK , *‘в + 'к
(175)
где hK — максимальная глубина канавки (обычно не более 70 см); iB и —уклоны соответственно выработки и канавки.
Водосборник оборудуют не меиее чем двумя насосами (один работающий, другой резервный) для перекачивания воды к порталу. При проходке тоннеля полным сечением целесообразно применять на- г сосы, смонтированные на буровой раме или тележке
блокоукладчика, откачивающие воду непосредственно за пределы выработки.
При малых притоках воды (до 7 м8/ч) наиболее целесообразно откачивать воду из забоя малогабаритными насосами в породные вагонетки.
При проходке через ствол шахты вода собирается из всех выработок в центральный водосборник, откуда перекачивается на поверхность. Емкость центрального водосборника рассчитывают не менее чем на двухчасовой приток воды. Для возможности отстоя воды и очистки водосборники устраивают сдвоенными.
Для откачивания воды используют преимущественно центробежные насосы, которые компактны, экономичны, работают бесшумно, не требуют сложного ухода н успешно перекачивают сильно загрязненные жидкости. К таким насосам относится, например, насос 4-НФ, обеспечивающий подачу 72 м®/ч при полном напоре 11 м вод. ст., имеющий небольшие габариты (1048 X 475 X X 580 мм) и удобный для применения в горизонтальных выработках. Для главного водоотлива целесообразны насосы типа НДС (насос 6НДС подает до 330 м3/ч при напоре до 65 м вод. ст.).
Для откачивания воды непосредственно у забоя удобны погружные пневматические насосы типа НПП-1М, состоящие из центробежного насоса с вертикальным валом и приводящего его в движение пневматического двигателя. Этот насос обеспечивает подачу 25 м3/ч с напором 40 м вод. ст. Насос ставят так, чтобы его рабочее колесо, прикрытое снизу сеткой, было погружено в воду.
Насосы главного водоотлива должны обеспечивать откачку суточного притока воды не более чем за 20 ч. Их число назначают не менее трех: один — рабочий, другой — резервный (на случай непредвиденного увеличения притока воды) и третий — находится в ремонте.
Насосные установки главного водоотлива размещают в специальных подземных камерах, нижняя часть которых является водосборником.
Пол насосной камеры должен быть не менее чем на 0,5 м выше уровня откаточных путей примыкающих выработок, а верх фундаментов насосов — не менее чем на 0,2 м выше уровня пола для обеспечения насосов от затопления в неблагоприятных условиях. Всасывающие трубы насосов длиной до 8 м делают из резины с металлическим каркасом, снабжают на конце защищенным от засорения всасывающим клапаном. Их диаметр должен соответствовать скорости движения воды (не более 1,5 м/с).
Нагнетательные трубопроводы устраивают из стальных цельнотянутых труб, соединяемых на фланцах с уплотнением резиной. Их диаметр рассчитывают по скорости воды до 2,5 м/с. Число нагнетательных трубопроводов назначают на одни больше числа работающих насосов, при этом обеспечивается возможность переключения любого насоса на любой трубопровод.
Производительность насоса определяют по увеличенному на 20% часовому притоку воды, Q = 1,2 Q4 м®/ч и требуемому манометрическому напору Н, который слагается из разности преодолеваемых высот ДЯ и потерь напора На. Потери напора (м)
ЯП = Х-^-, (176)
где X — коэффициент сопротивления воды;
L — расчетная длина трубопровода, равная его длине плюс сумма эквивалентных длин, учитывающих дополнительные местные потери (клапаны, задвижки, отводы, тройники и пр.), м;
v — скорость течения воды, м/с;
d — диаметр трубы, м;
g = 9,81 м/с2.
Коэффициент сопротивления воды определяют по формуле
Х=0,02+ • (177)
yvd
Мощность на валу двигателя (кВт), приводящего насос в движение,
N_.
3,6- 102т] ’
где Q — в м3/ч;
Н = АЯ + Нп м;
у — объемный вес перекачиваемой жидкости, тс/м3;
т| — к. п. д. насосной установки (обычно г) =0,6 4- 0,75).
§ 65. ОСВЕЩЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК
Производительность труда и безопасность работ во многом зависят от освщенности рабочих мест и откаточных путей, которая должна составлять ие менее 30 лк в забое и не менее 15 лк на уровне головки рельса. Поэтому все подземные выработки обеспечивают стационарным электрическим освещением, не требующим усиления вентиляции и безопасным при выделении газов. В зависимости от размеров сечения по обеим сторонам выработки через 4—8 м на высоте от 2 до 6 м подвешивают лампы мощностью 40—150 Вт. В призабойной части выработки число или мощность ламп удваивают, а вертикальный забой освещают из расчета 15 Вт на 1 м2 его площади.
В выработках высотой более 4 м допускается применение прожекторов с матовыми стеклами, устанавливаемыми таким образом, чтобы была исключена возможность их ослепляющего действия.
Ввиду опасности поражения электрическим током напряжение в сети освещения принимают равным 36 В, за исключением сырых тоннелей и переносного освещения, требующих пониженного напряжения 12 В. Лишь в готовой части сухих тоннелей допускается напряжение до 220 В.
Осветительную проводку по выработкам выполняют изолированным проводом на фарфоровых изоляторах или роликах.
Для перехода от напряжения наружной сети к напряжению, принятому в выработке, вие пределов рабочей зоны устанавливают линейные трансформаторы с низковольтным распределительным щитом.
Переносные лампы (ручные и головные), применяемые непосредственно в забое, должны быть снабжены защитной сеткой и специальной вилкой, исключающей возможность их включения в сеть напряжения более высокого, чем 12 В.
На случай перерыва в подаче электроэнергии на рабочих местах должны находиться также аккумуляторные лампы или в крайнем случае ручные лампы с пламенным освещением (например, карбидные).
Глава 16
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ТОННЕЛЬНЫХ РАБОТ
§ 66. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬСТВА ТОННЕЛЕЙ И ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ
Проектирование строительства тоннелей всех видов выполняют обычно в две стадии. На основании обследования района строительства и технико-экономического обоснования решений (ТЭО) разрабатывают технический проект с выбором плана, продольного профиля и поперечных сечений тоннеля, материалов и конструкций обделок, мест расположения порталов и строительных площадок, способов производства работ и сроков их выполнения; решают вопросы транспортных связей строительства, размещения отвалов, снабжения водой, энергией и т. п.
В состав технического проекта входят также сводная смета по строительству в целом и сметы на отдельные объекты и виды работ, входящие в комплекс строительства.
На основе утвержденного технического проекта составляют рабочие чертежи на строительные и монтажные работы с максимальным использованием типовых проектов, привязываемых к местным условиям строительства.
Постройка тоннелей представляет значительно большие трудности, чем постройка наземных сооружений. Для возведения тоннельной конструкции необходимо удаление огромного объема пород в условиях горного давления и притока подземных вод. При этом основные работы должны быть выполнены в тесной выработке, иногда загроможденной элементами временной крепи. Возможности расширения фронта подземных работ чрезвычайно ограничены, и проходку тоннелей горным способом чаще всего ведут лишь двумя забоями.
В этих условиях особое значение имеет четкая, продуманная организация строительства, в большой степени определяющая сроки и стоимость работ.
Тоннельное строительство ведут в соответствии с утвержденными проектами организации строительства и производства работ, действующими техническими условиями и правилами безопасности, как правило, поточным методом, обеспечивающим последовательное сооружение отдельных частей тоннеля и непрерывное выполнение работ.
Проект организации строительства (ПОС), разрабатываемый проектной организацией, содержит генеральный план строительства, топографический план района строительства с нанесением объектов, необходимых для его развертывания, привязанные к местности схемы строительных площадок, схемы механизации поверхностных и подземных работ и пояснительную записку.
Для особо сложных объектов, к которым относятся тоннели, проект производства работ составляется также проектной организацией на основе решений, принятых в проекте организации строительства. Проект производства работ содержит технологические схемы производства тоннельных работ, календарный план их выполнения, графики обеспечения строительства материалами, конструкциями, оборудованием, рабочей силой, энергией и транспортными средствами, график работы основных строительных машин и механизмов и пояснительную записку.
Проекты организации строительства и производства работ должны быть основой научной организации труда (НОТ), способствующей постоянному и планомерному внедрению в производственные процессы достижений науки и передового опыта.
При разработке проектов следует стремиться к сооружению тоннеля в кратчайший срок, так как сокращение сроков строительства и ускорение ввода объектов в эксплуатацию имеют важное народнохозяйственное значе-232
вне. При этом более полно используется строительное оборудование и уменьшаются накладные расходы, пропорциональные времени строительства. К таким расходам относятся стоимость содержания строительных площадок и административно-управленческого аппарата, расходы, связанные с обслуживанием рабочих, и т. п. расходы, составляющие до 60% общей суммы накладных расходов.
Часто тоннель является наиболее трудоемким сооружением, лимитирующим пуск пути сообщения в эксплуатацию. Если в результате уменьшения срока постройки тоннеля общий срок строительства пути сообщения сокращается, экономический эффект может быть особенно значителен.
Главная задача, решаемая при организации работ, — всемерное ускорение проходки тоннеля с обеспечением высокого качества и безопасности ргбот. Для этой цели необходимо ускорение проходки в каждом из забоев, а также увеличение их числа путем открытия промежуточных забоев из шахт и боковых штолен-«окон», если это целесообразно в технико-экономическом отношении.
Работы по сооружению тоннеля следует вести в течение всего года независимо от климатических условий, для чего в проекте разрабатывают специальные мероприятия. Исключением являются высокогорные перевальные тоннели, при сооружении которых в зимнее время могут возникнуть непреодолимые трудности.
Строительство железнодорожных и автодорожных тоннелей, выполняемое специализированными строительными организациями (тоннельными отрядами, строительно-монтажными поездами), ведется обычно в районах страны, удаленных от крупных промышленных центров и зачастую труднодоступных для автомобильного транспорта.
Этн обстоятельства накладывают отпечаток на выбор конструктивных и производственных решений, на общую схему организации строительства и степень его индустриализации и механизации. В большинстве случаев, особенно при строительстве коротких тоннелей в необжитых районах, создание временных полигонов для изготовления элементов сборных железобетонных обделок хозяйственно нецелесообразно. Лишь в условиях возможности последующего использования такого полигона в качестве постоянного для нужд района и при расположении тоннеля в породах, не требующих для разработки взрывных работ, оправдано применение сборного железобетона в качестве материала для обделок.
В остальных случаях наиболее целесообразно применение обделок из монолитного бетона, процесс возведения которых поддается полной механизации, с заготовкой заполнителей на месте работ.
Началу основных работ по сооружению тоннеля должны предшествовать: устройство подъездных дорог и подача электроэнергии к месту строительства, создание баз, обеспечивающих строительство материалами (карьеры, лесозаготовки и пр.), оборудование строительных площадок с местами отвалов породы и постройка жилых поселков для строителей.
Если на линии должна быть сооружена группа тоннелей, последовательность работ по их строительству устанавливают в соответствии с намеченными сроками пуска линии в эксплуатацию и наличными производственными ресурсами. При этом проходку двухскатных тоннелей длиной более 500 м ведут обычно встречными забоями с самотечным отводом воды и устройством строительных площадок у обоих входов. Лишь в неблагоприятных топографических условиях, затрудняющих устройство строительной площадки, допускается проходка под уклон с организацией водоотлива.
Короткие тоннели (до 300 м), устраиваемые односкатными, проходят на подъем с одной стороны.
Расположение строительных площадок и размещение на них необходимых производственных устройств и помещений должны обеспечивать наибольшие удобства ведения основных работ по проходке тоннеля. Эти вопросы 233
решают на основании изучения местных условий, к которым относятся: рельеф местности, расстояние порталов от населенных пунктов, обеспеченность водой и электрической энергией, состояние дорог и т. п.
Примерное представление о строительной площадке для проходки автодорожного тоннеля дает рис. 220. Откаточные пути, выходящие из тоннеля, ведут к отвалам породы, бетонной установке 3 и вдоль основных объектов площадки. Ответвления связывают пути со складом 6 заполнителей и электровозным депо 7, совмещенным с зарядной станцией. Непосредственно у предпор-тальиой выемки находятся вентиляторная 5 и стройдвор 4 с арматурным цехом. Склады оборудования 14, разных материалов 15 и центральный склад 11 расположены по обе стороны от узкоколейных путей, так же как механическая мастерская 8 с пневматической, кузница 12 с бурозаправочной и электросварочной 1, лесопильный цех 17 и помещение 16 пожарной охраны.
Компрессорная 1 с градирней 2, склад 18 горюче-смазочных материалов и трансформаторная подстанция 21 вынесены за пределы основной площадки.
Специальная дорога ведет к расходному складу ВВ 19 с постом 20 охраны.
Контора 10 строительства, душевой комбинат 9 с медпунктом, котельная 13 для отопления помещений, так же как трансформаторная подстанция 21, размещаются ниже спланированной поверхности строительной площадки.
Бытовые и производственные здания на строительных площадках устраивают преимущественно сборно-разборного типа, за исключением тех зданий, которые могут быть использованы в качестве постоянных при эксплуатации тоннеля или для нужд района. В первую очередь создают производственные здания и подсобные предприятия, необходимые для начала основных работ по проходке тоннеля.
К началу основных работ должна быть закончена предпортальная выемка иа всем протяжении, которая необходима для бесперебойного транспорта разрабатываемой породы в отвал и стока воды из тоннельной выработки (пред-портальную выемку, как правило, делает тоннельная организация, в отдельных случаях — механизированная колонна). Иногда возможно совмещение отделочных работ в выемке с работами по проходке штольни или опережающей калотты.
Порядок производства работ по сооружению припортальных участков и портала тоннеля зависит от характера и условий залегания прорезаемых пород и принятых методов проходки. В крепких скальных породах проходку тоннеля начинают непосредственно из выемки, до устройства портала, сооружаемого в последнюю очередь. В мягких и неустойчивых породах целесообразно предварительное сооружение портала траншейным способом, что обеспечивает надежное за
крепление лобового откоса выемки.
Предпортальную выемку не следует доводить до места сооружения портала, чтобы обеспечить возможность возведения бетонной обделки портального кольца горным способом без наружной опалубки.
Большое внимание следует уделять защите торца предпортальной выемки от поверхностных вод, сте-
Рис. 220. План строительной площадки
кающих со склонов горного массива. Для этой цели до
начала проходки и сооружения портала вдоль откоса выемки устраивают водоотводную канаву.
Устойчивость лобового откоса выемки обеспечивается временной деревянной крепью (см. крепление врезки, § 44). В трещиноватых скальных породах целесообразно закрепление откоса стальными анкерами, длина которых превышает глубину возможного отделения глыб породы. Поверхность откоса между анкерами затягивают сеткой.
§ 67. ЦИКЛИЧНОСТЬ И КОМПЛЕКСНАЯ МЕХАНИЗАЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ РАБОТ
Основой правильной организации работ является цикличность выполнения строительных процессов, их комплексная механизация, а также индустриализация строительства, при которой значительная часть применяемых конструкций (крепи, элементы обделки) изготавливается на поверхности и лишь монтируется под землей.
Цикличность представляет собой работу по строгому графику, когда каждый рабочий отчетливо знает последовательность процессов, выполняемых бригадой, время, отведенное для каждого из них, а также имеет навыки, необходимые для выполнения отдельных операций в установленные сроки.
Применительно к проходке подземной выработки циклом называют ряд периодически повторяющихся рабочих процессов, выполнение которых обеспечивает продвижение забоя выработки на глубину заходки. Время, нужное для этого, носит название времени цикла.
Организацию работ следует проектировать исходя из выполнения целого числа циклов в сутки. При этом необходимо учитывать, что при буровзрывных работах, осуществляемых с применением тяжелого оборудования (буровые рамы, бурильные и погрузочные машины), выгодно увеличение глубины заходки для сокращения непроизводительных затрат времени на перемещение оборудования и проветривание выработки после взрывания.
Наиболее целесообразна организация работ, при которой в каждую смену занято одинаковое количество рабочих, что обеспечивает возможность уменьшения времени цикла при перевыполнении норм бригадами. Однако в крепких скальных породах, трудоемкость бурения которых весьма значительна, возможна организация работ, при которой целая смена уделяется бурению и заряжанию глубоких шпуров и проветриванию после взрывания, а следующая смена — уборке большого объема породы и установке временно^ крепи. В этом случае состав бригад в сменах может быть различен, так как для бурения необходимо большее число рабочих, а погрузка осуществляется высокопроизводительными погрузочными машинами, снижающими трудоемкость работ и потребность в рабочей силе (продолжительность погрузки определяется машинным временем, а занятость рабочих — необходимостью обслуживания машин).
Целесообразно, чтобы время цикла равнялось продолжительности целого числа смен (на подземных работах при нормальном давлении воздуха продолжительность смены 6 или 7,2 ч соответственно для шестидневной и пятидневной рабочей недели). При этом облегчается учет и оценка выполненных бригадами работ, повышается ответственность бригад за качество выполненных работ и материальная заинтересованность в выполнении плана. Чтобы каждая смена завершалась выполнением соответствующей части цикла, необходимо уточнять сменные проходческие задания в соответствии с геологическими условиями и квалификацией бригад.
Цикличная работа на каждом рабочем месте — основное условие, необ‘ ходимое для осуществления скоростной проходки тоннеля. Отставание с выполнением цикла работ на одном из рабочих мест тормозит работу на последующих рабочих местах, и, наоборот, ускорение работы на одном из звеньев процесса способствует общему ускорению проходки.
Цикличная работа предъявляет повышенные требования к обеспечению производственного процесса (снабжение инструментами, водой, энергией, крепежными и другими материалами, устройство рельсового пути, подача порожняка, налаженная работа транспорта, вентиляции и водоотлива и т. п.), требует правильного использования рабочей силы, четкого и продуманного руководства. Так, для обеспечения рабочих мест вагонетками и материалами движение рабочих составов должно производиться по строгому графику. Формирование составов следует выполнять на поверхности, располагая вагонетки в порядке, соответствующем последовательности рабочих участков — получателей грузов и порожняка.
План выполнения производственных процессов за время цикла оформляют в виде циклограммы, которая содержит последовательность и объемы работ цикла, нормативное время, требуемое для их выполнения, и графическое изображение распределения членов бригады по рабочим местам с указанием принятого времени выполнения отдельных операций. В циклограмме предусматривают некоторое повышение производительности труда по сравняю с действующими нормами с учетом опыта работы передовых бригад и улучшений в организации и механизации производственных процессов.
В качестве примера на рис. 221 приведена циклограмма на проходку железнодорожного однопутного тоннеля в породах VI категории в соответствии с технологической схемой, изображенной на рис. 222. Цикл, обеспечивающий продвижение забоя на 2 пог. м, выполняется в две шестичасовые смены бригадой из 6 человек. В циклограмме для каждого производственного процесса приведено число исполнителей и время операции в часах. В заряжании участвуют два взрывника и трое рабочих из бригады, имеющих книжки взрывника. В крайней графе справа приведены принятые коэффициенты перевыполнения некоторых норм.
При совмещении отдельных операций, входящих в состав цикла (например, бурения н погрузки породы при способе ступенчатого забоя), время Цикла может быть сокращено с соответствующим увеличением скорости проходки.
Циклограммы составляют для каждого участка тоннеля, на протяжении которого имеются сравнительно постоянные геологические и гидрогеологические условия, и обязательно корректируют в ходе пробной проходки с хронометражными наблюдениями. Опыт продолжительной проходки по принятой циклограмме с обобщением и широким внедрением методов работы передовых бригад строительства позволяет внести в циклограмму дальнейшие коррективы и увеличить число циклов, выполняемых в сутки.
Организацию работ в тоннеле строят по единому плану, рассчитанному на сооружение в сутки участка тоннеля, длина которого равна суточному продвижению забоя выработки. При отставании других работ от темпов, развиваемых в этом забое, увеличивается срок сооружения тоннеля; при скорости их выполнения большей, чем скорость продвижения забоя выработки, сокращается участок развер-
Рис. 221. Циклограмма на проходку 2 пог. м тоннеля ТЫВЯНИЯ работ ПО длине в породах VI категории тоннеля и возникают взаим
S в на с менование работ 5а. as Oiieu ра \бот зарок норма на измерит, \чел.-ч 'Общее оре \мм понер \мам,чел-ч 1-я сроена 2-я смена «п
1 2 3 9 5 6 1 7 3 9 5 6
бурение шпуров перфораторами. 1тн.н 169,5 0,19 32,2 6-
г Заряжание шпуров: контурных остальных luingp luinipi 25 90 0,10 0,05 2,5 2,0 - LI /5 ш ч L—
3 Помещение буровых подмостей (?ом) Нтг.н 90 0,07 2,8 O-OjSi 8 -0 Z й
Проветривание - - - — 0,5 ч 1_
IJ Обирка контура 1раз 1.2 1,2 1-0,2ч > 1_ 1_
6 нагрузка породы 2машинами МОР-6 1м1 ТОВ 0,017 2,9 6-2,99
7 Наращивании путей Шогк 9 0,55 ' ,9 'ff-O.Zj V
8 Крепление' кровли : 18,0 I- 2. Z.25
бурение шпуров looe.u 27,2 0,17 7,9
установка анкеров 1 анкер 16 0,33 5,3
подвеска сетки. 21 0,15 5,3
ные помехи при выполнении отдельных производственных процессов. Поэтому целесообразно производить построение циклограмм для различных рабочих «ест в тоннеле (проходка штолен, раскрытие калотт и штросс, возведение обделки), исходя из общей для участка скорости сооружения тоннеля.
При поточном методе работ ежесуточно сооружается участок тоннеля, длина которого равна продвижению опережающего забоя. Все основные рабочие процессы увязываются в единую схему комплексной механизации.
На рис. 222 приведена схема работ по сооружению однопутного железнодорожного тоннеля с монолитной обделкой способом сплошного забоя со скоростью 4 пог. м в сутки. Полный цнкл проходческих работ, соответствующий эаходке в 2 м, занимает две смены в соответствии с циклограммой (см. рис. 221). Погрузку породы ведут двумя машинами 1 МПР-6 в вагонетки 3, смена которых осуществляется перестановщиком 2, смонтированным на буровых подмостях, отводимых от забоя перед взрывом на 20 м.
Обделку бетонируют на расстоянии до 85 м от забоя в телескопической опалубке, состоящей из восьми секций длиной 2 м каждая и тележки 5 для их переноса и установки. Укладку бетонной смеси ведут двумя пневмобетоноукладчиками, размещенными на самоходной тележке 4 и загружаемыми с помощью крановой балкн. После достижения проектной прочности бетона производят нагнетание за обделку с тележки 6, на которой установлены аппарат для нагнетания и кран для подъема контейнеров с сухой смесью. В призабойной зоне расстояние между откаточными путями увеличено, чтобы обеспечить захват машинами всей взорванной породы; на остальном протяжении расстояние между путями соответствует габаритам пространства под рабочими тележками.
На рис. 223 приведена схема комплексной механизации работ по сооружению однопутного железнодорожного тоннеля со сборной железобетонной обделкой (см. рис. 65).
Бурение шпуров, обеспечивающее продвижение забоя на 1,0 м, производят с выдвижных площадок подмостей 2, на которых смонтирован рычажный блокоукладик для монтажа обделки. После взрывания, проветривания и оборки контура производится уборка породы 1 машиной МПР-6 3. Непрерывная загрузка состава из семи вагонеток 5 обеспечивается ленточным транспортером 4. Монтаж обделки начинают после освобождения забоя от породы и откатки погрузочной машины на 25 м. Первичное нагнетание за обделку производят размещенным на подмостях аппаратом, загрузку которого сухой смесью осуществляют нз контейнеров, поднимаемых консольным краном.
Контрольное нагнетание аппаратом 8 и работы по уплотнению швов между блоками производятся со специальных тележек 7 и 11, находящихся соответственно на расстоянии 55 и 80 м от забоя. Откатка осуществляется контактным электровозом 6, провод для которого сматывается с кабельного барабана 10.
График производства работ устанавливает их порядок, обеспечивающий сооружение тоннеля в заданные сроки, и дает представление о последовательности и связи отдельных рабочих процессов в тоннеле, организованных в соответствии с циклограммами.
Наиболее нагляден график в наклонных линиях, в которых по оси абсцисс откладывают длину тоннеля, а по оси ординат — время. Ход выполнения поступательного рабочего процесса изображают наклонной линией, составляющей с осью абсцисс угол, котангенс которого пропорционален скорости производства работ.
Примерный вид такого графика для тоннеля, сооружаемого способом сплошного забоя, изображен на рис. 224. Предполагается, что устройство ниш и камер выполняют по мере продвижения забоя 1 и бетонирования обделки 2, передвижная опалубка для которой оснащена съемными формами для образования в стенах проемов. Под графиком помещают основные данные о тоннеле, имеющие значение для разработки проекта производства работ. Обозначения на графике соответствуют процессам работ (—р — раскружа-ливание обделки).
Проведя прямую, параллельную оси абсцисс, секущую график, можно установить распределение отдельных работ по длине тоннеля в соответствующий момент времени и определить количество рабочих, занятых их выполнением. Откладывая полученные величины влево от оси ординат, строят график потребности в рабочей силе для основных работ в различные периоды строительства. Правильному планированию соответствуют нарастание потребности в рабочей силе по мере развертывания работ, стабильность состава рабочей силы во время одновременного ведения всех основных работ и затем убывание в период завершения строительства (без промежуточных колебаний).
Рис. 222. Схема комплексной
/ — погрузочная машина МПР-6; 2 — буровые подмости с перестановщнком; 3 — состав вагонеток ка телескопической опалубки; 6 — тележка
Выдвижное звено . *
я — —_________________________________________________________________________________।~__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Примерная схема расположения шпуров- и последовательность взрывания их пи группам Я-fl
Рис. 223. Схема комплексной
1 — взорванная порода; 2 — блокоукладчик; 3 — погрузочная машина МПР-6; 4 — ленточный транс-творонагнетатель; 9 — электродвигатель; /0 — кабельный барабан;
механизации работ при монолитной обделке:
с электровозом; 4 — бетоноукладочная установка с двумя пневмобетононагнетателямп; 5 — тележ-для нагнетания раствора за обделку
механизации работ при сборной обделке:
портер; J — вагонетки; 6 — элентровоз; 7 —тележка для нагнетания раствора за обделку; 8 — рас-//- чеканочная тележка; 12 — вентиляционная труба
Кроме графиков производства работ и движения рабочей силы, строят графики потребности в энергии и основных материалах, получаемые из сопоставления графика производства работ и потребности в этих ресурсах для каждого из производственных процессов.
График производства работ в наклонных линиях дает наглядное представление о ходе работ при строго выдержанном поточном характере производственного процесса,'как это видно из приведенного примера.
При раскрытии выработки кольцами, располо-
женными не непрерывно, а в определенном (например, в шахматном) порядке, построение графика изменяют с целью отражения этого порядка. В комбинированном графике поступательные процессы изображают по-прежнему наклонными линиями, а процессы, выполняемые в пределах кольца или его части, — соответствующими условными обозначениями.
На рис. 225 приведен такой график для тоннеля, опертого свода. Процессы, выполняемые участками i
Месяцы 1 2
3
©S
10в 200 300 400 500 600 700 800 90010001100^1
1200»
Homamto
рабочих П° колец
Й
в1-\10Т\(Щ141\161\181-101 221
1 /yw,g0 80 \14Q\16Q\i80\20Q\220\240\
кривая I
Р-60ОК-2(№
Прямая 860
1 ' s7>o
кривая Р-600 к-ЮО
1 /ранит ы,5\Песчаник обыкновенный г-6 пршпох-1о0ы-38л/тприток боды-бОЛ/секна1км
ТипТа | Бетонная обделка ТипЦ Тип1а
~ Способ сплошного забоя
Рис. 224. График производства работ в наклонных линиях
, сооружаемого способом в очередности, соответ-
Трафик движения рабочей силы
Количество рабочих №колец
6
Й
н
время, мес.
I
по
Крепление врезки
Кривая Р-600 К-84
Прямая - 660м
10 11
10-11
10-11
Глина твердая 2Fкатегории
Мергель Ткатегории
Обделка - Тип IS
Обделка -Тип Ш
Способ опертого свода
Рис. 225. Комбинированный график производства работ
ствующеи техническим условиям (раскрытие и бетонирование калотт, подводка стен, нагнетание за обделку), изображены заштрихованными полосами, ширина которых определяется в соответствии с рис. 226, где приведена часть детализированного графика в условных обозначениях с данными об очередности выполнения отдельных работ, промежутках времени между ними (здесь Тр — время раскружаливания) и числе рабочих бригад. Под графиком помещают те же данные, что и на рис. 224.
Графики производства работ обычно дополняют таблицами объемов работ, принятых скоростей выполнения отдельных процессов и их условными обозначениями.
Графики производственных процессов, которые описаны выше, дают представление о намеченном в проекте порядке строительства тоннеля, сроках его завершения и необходимых ресурсах. Однако они неудобны для анализа и выявления путей улучшения хода
Рис. 226. Деталь графика производства работ
строительства.
Крупным шагом вперед является переход к сетевым графикам и базирующемуся на них сетевому планированию и управлению (СПУ). Сетевой график наглядно отображает последовательность и продолжительность выполнения процессов, а также связь между ними. Это как бы математическая модель реализации проекта, на которой можно экспериментировать.
Анализируя сетевой график, можно выявить работы, выполнение которых соответствует минимальной продолжительности строительства н является решающим для его выполнения в срок, т. е. работы, лежащие на «критическом пути».
Система СПУ позволяет руководить строительством, концентрируя внимание на этих, наиболее важных работах. Ее применение дает возможность добиться сокращения сроков строительства и экономии материальных средств.
Сетевые графики и сетевое планирование и управление изучаются в дисциплине «Организация и планирование строительства тоннелей».
РАЗДЕЛ III
ТОННЕЛИ, СООРУЖАЕМЫЕ ЩИТОВЫМ И СПЕЦИАЛЬНЫМИ СПОСОБАМИ
Глава 17
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТОННЕЛЯХ, СООРУЖАЕМЫХ ЩИТОВЫМ И СПЕЦИАЛЬНЫМИ СПОСОБАМИ
§ 68. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ЩИТОВОМ СПОСОБЕ СООРУЖЕНИЯ ТОННЕЛЕЙ
Сущность щитового способа сооружения тоннелей может быть пояснена путем сравнения с известными из раздела II горными способами работ. При этом целесообразно сопоставить применяемые процессы работ в забое с явлениями, происходящими в горном массиве, окружающем выработку.
При горных способах проходки тоннелей в неустойчивых породах раскрытие сечения в большинстве случаев ведут в несколько этапов с тщательным креплением выработки на каждом этапе расширения. При этом завершающий этап работ — возведение обделки — значительно отстает от головного забоя, что приводит к необходимости длительное время поддерживать выработку на временных крепях.
Всякий процесс разработки активно воздействует на окружающие горные породы. Под влиянием перераспределения напряжений, возникающих при проходке, изменяются механические свойства пород, прилегающих к выработке, что приводит к неупругим деформациям и нарастанию горного давления. Эти изменения настолько глубоки, что для характеристики механических свойств пород недостаточно основных параметров — модуля упругости и коэффициента Пуассона1.
Размеры области неупругих деформаций, возникающих в результате влияния процесса разработки, зависят от ряда факторов. Из них главными являются механические свойства горных пород, степень податливости крепи, глубина расположения, размеры и форма выработки. Более податливой крепи соответствуют большие размеры области неупругих деформаций, приводящих в пределе к образованию свода обрушения. Все это характеризует многоэтапные горные способы проходки как неблагоприятные, что можно проследить на графике изменения горного давления по времени (рис. 227).
Промежутку времени Т соответствует наибольшее значение горного давления Р, величина которого затем несколько снижается вследствие приспособления массива и крепи к новому состоянию силовых воздействий. Любому меньшему промежутку времени t, очевидно, соответствует меньшее значение горного давления Р.
При другом способе работ по сооружению тоннелей в мягких породах собственно проходка выработки и поведение постоянной обделки настолько сближаются друг с другом, что обе эти операции в данном сечении тоннеля выполняются практически одна за другой и до возникновения значительного горного давления (см. рис. 227). Устойчивость массива породы достигается •своевременным нагнетанием цементного или другого раствора за обделку2 3,
1 К- В. Руппенейт. Некоторые вопросы механики горных пород. М., Угле-
техиздат, 1954.
3 В крепких породах возможно сближение операций по проходке и возведению •обделки при сооружении тоннелей способом сплошного забоя.
а совместность работы обделки и породы — их обжатием. На этом и основана схема работ при помощи проходческого щита.
Головной агрегат — щит — представляет собой подвижную металлическую крепь, под защитой которой выполняются основные операции: разработка и крепление забоя, уборка породы и сооружение постоянной крепи — обделки.
При помощи дополнительных специальных орудий все эти трудоемкие процессы можно частично или полностью механизировать, и тогда щит превращают в механизированный агрегат, обеспечивающий достижение высоких скоростей работ при весьма малых затратах труда.
Главное достоинство щитовой проходки заключается в том, что она в отличие от горных способов работ не требует применения временных крепей, что повышает безопасность и экономическую эффективность выполнения работ-Кроме того, как будет показано ниже, щитовая проходка может быть применена в большом диапазоне геологических и гидрогеологических условий при значительном давлении горных пород и воды, что делает ее универсальным способом работ. Таким образом, в любых грунтовых условиях соответственно приспособленный щит обеспечивает возможность частичной или полной механизации всех процессов тоннельных работ при высоком качестве цикличности и поточности их выполнения.
К особенностям щитового способа относится узость фронта работ и необходимость одновременного производства ряда операций по сооружению тоннеля, что требует строгой увязки всех процессов во времени и высокой
их механизации.
В городских условиях щитовая проходка может оказаться единственно возможным способом работ, так как она может выполняться круглогодично без вскрытия поверхности, нарушения уличного движения и подземного хозяйства городов (при условии проведения специальных конструктивных и технологических мероприятий).
Щитовой способ сооружения тоннелей, являясь наиболее эффективным и индустриальным, получил широкое применение и развитие в СССР и за границей на строительстве тоннелей различного назначения. В дальнейшем этот способ найдет еще большее применение главным образом в мягких и неустойчивых породах, позволяющих достигнуть наибольшей эффективности
проходки.
Наибольшее развитие в Советском Союзе получила щитовая проходка на строительстве тоннелей метрополитенов: первоначально (с 1934 г.) Московского, затем Ленинградского, Киевского, Тбилисского и Бакинского. В короткий срок (с 1935 по. 1938 г.) была создана новая индустриальная база тон-
нелестроения с мощным парком тоннельных проходческих щитов, запроектированных советскими специалистами и изготовленных на советских заводах. При помощи этих щитов были сооружены перегонные тоннели, а также станции метрополитена глубокого заложения II и III очередей и наиболее трудные участки IV очереди Московского метрополитена.
На следующих этапах работ были внедрены механизированные щиты, давшие скорость проходки до 200 пог. м в месяц (или 10,4 пог. м в сутки про-
тив 4,0 пог. м в сутки обычными щитами) в условиях пород средней крепости. В дальнейшем скорость проходки щитами обычного типа в условиях суглинков и песков с валунами доведена до 250 пог. м в месяц, а в песках — до 400 пог. м в месяц.
При строительстве Ленинградского, Киевского, Бакинского и Тбилисского метрополитенов широко применялись механизированные щиты, позволившие достигнуть еще более высоких скоростей проходки перегонных тоннелей. Нашли также большое применение станционные щиты, обеспечивающие надежность работ и высокие скорости их выполнения.
Рнс. 227. График изменения горного давления по времени
Щитовую проходку широко применяют на строительстве коммунальных коллекторных тоннелей Москвы (с 1935 г.) и других городов, тоннелей для различных технологических целей на промышленных предприятиях черной и цветной металлургии, тяжелого машиностроения, угольных и рудных бассейнов, а также в гидротехническом строительстве.
Совершенствование щитового способа сооружения тоннелей в самых разнообразных геологических и гидрогеологических условиях основано на следующих предпосылках:
интенсивной научно-исследовательской работе, направленной на создание новых механизированных щитов и блокоукладчиков;
автоматизации отдельных процессов щитовой проходки;
применении монолитных и сборных обделок, обжимаемых в породу.
§ 69. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ПОДВОДНЫХ ТОННЕЛЯХ И ОСОБЕННОСТЯХ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Большое значение щитовая проходка имеет при сооружении подводных тоннелей, проводимых под руслом водотоков и под крупными водоемами. Как будет далее показано более подробно, подводный тоннель обеспечивает кратчайшую транспортную связь между пунктами, расположенными на противоположных берегах водного препятствия. При этом тоннель в зависимости от ширины и глубины водотока (или водоема) располагается в береговой и подрусловой зонах пересекаемого водного препятствия.
При проходке в неустойчивых водонасыщенных породах, а также в подрусловых плотных глинах обычно применяют сжатый воздух как средство осушения забоя и предотвращения прорывов и затоплений тоннеля. Такой способ работ требует специального оснащения и ограничивает глубину заложения тоннеля по условиям предельно допустимой величины избыточного давления воздуха. По современным требованиям такая величина не должна превосходить 3,5 кгс/см®, что соответствует глубине приблизительно 35 м, при этом продолжительность рабочей смены не должна быть более 4 ч.
Однако современная техника подводного тоннелестроения обогащается новыми средствами проходки тоннелей практически на любой глубине. К таким средствам относятся так называемые герметизированные щиты, которые позволяют вести проходку подводных тоннелей на больших глубинах без применения сжатого воздуха.
Благодаря герметически плотному соединению всех элементов щита и специальному конструктивному решению головной и хвостовой его частей достигается полная водонепроницаемость проходческого агрегата; в то же время разработка и удаление породы производятся при помощи гидромеханизации и другими средствами.
Скорости проходки тоннелей таким способом могут быть значительно увеличены за счет неполного приема внутрь тоннеля разрабатываемой разжиженной породы. Часть объема породы может быть смещена при вдавливании проходческого агрегата, что требует повышения силы щитовых домкратов. Конструктивные решения проектов герметизированных щитов будут рассмотрены ниже.
Таким образом, область применения щитовой проходки может быть значительно расширена.
План трассы подводных тоннелей. Расположение трассы подводных тоннелей в плане должно удовлетворять требованиям технических условий на проектирование железных ч автомобильных дорог.
Как правило, трасса пэдводных тоннелей должна быть расположена на прямой, что обеспечивает кратчайшую длину перехода, минимальные объемы разрабатываемой породы и необходимых материалов, а также простоту и надежность всего производственного процесса. При наличии сложных топографических условий берегов, трудных геологических местных условий, требующих обхода неблагоприятных (пониженных или размытых) мест дна водо-244
тока, а также по условиям планировки и архитектурной компоновки городских кварталов трасса может быть расположена на криволинейных участках с углами поворота в любую сторону. Однако при этом ухудшаются условия производства работ и увеличивается их стоимость. Это объясняется необходимостью уширения тоннелей, а также ухудшением условий эксплуатации (ограничение зоны видимости проезжей части в автодорожных тоннелях на кривых и увеличение сопротивления потоку воздуха при вентиляции).
Для криволинейных участков трассы тоннелей обязательно соблюдение всех основных нормативов, установленных техническими условиями по от
ношению к элементам кривых участков дороги и их взаимному сопряжению.
Продольный профиль подводных тоннелей. При проектировании продольного профиля подводного тоннеля необходимо предусмотреть условия, не до-
пускающие прорыва сжатого воздуха во время проходки и всплывания тоннеля в эксплуатационный период. Первое условие предопределяет такую глубину заложения верха тоннеля от дна русла, при которой исключается вероятность прорыва сжатого воздуха из тоннеля, обычно приводящего к опасности его затопления. Очевидно, эта глубина зависит от плотности налегающего слоя донных отложений и режима регулирования избыточного давления воздуха в тоннеле. Практически можно считать достаточной толщину слоя породы 7—10 м для плотных глин и 10—15 м для среднепористых пород.
При регулировании давления воздуха следует исходить из условия равновесия столба воды на уровне одной трети диаметра тоннеля снизу.
Чтобы избежать больших заглублений при неоднородном слое породы,
перекрывающем тоннель, иногда для предотвращения прорывов воздуха применяют в наиболее опасных местах так называемую донную подушку из плотных глин. Размеры последней по ширине достигают четырех диаметров тоннеля, а по толщине — 2—3 м в зависимости от конкретных условий.
После окончания строительных работ это донное ограждение обычно сохраняется на период эксплуатации, а при мелком водотоке может быть ликви-
дировано подводным землечерпанием или размывом.
Второе условие предусматривает обеспечение подводного тоннеля от всплывания в илисто-плывунных породах вследствие недостаточной нагрузки и веса конструкции тоннеля по сравнению с весом воды в объеме тоннеля. При выборе глубины заложения тоннеля для обеспечения требуемого равновесия (с запасом в 10—15%) обычно учитывают вес налегающего слоя породы и собственный вес конструкции тоннеля, но пренебрегают силами трения между обделкой и породой, что идет в запас прочности. При необходимости конструкцию тоннеля утяжеляют заполнением свободных участков поперечного сечения обделки тощим бетоном.
Очевидно, что при сооружении подводных тоннелей способом опускания готовых тоннельных секций необходимость учета прорывов сжатого воздуха отпадает, поэтому тоннель может быть расположен на более высоких отметках.
Продольный профиль подводных тоннелей (рис. 228) имеет 2 ската, обычно представленных цепной линией и направленных к подрусло-
вой части (см. рис. 228, а). Сопрягающий участок обычно имеет минимальный односкатный уклон 3—5°/00, обеспечивающий естественный водосток к пониженной точке профиля.
В некоторых случаях в зависимости от рельефа дна русла сопрягающую часть целесообразно располагать на двускатном профиле с минимальным уклоном каждого ската 2—3°/00 от середины русла к берегам (см. рис. 228, б). В этом случае достигается меиьшее заглубление трассы, а следовательно, и ее укорочение.
Общие требования и нормативы технических условий на проектирование продольного профиля железнодорожных и автодорожных магистралей полностью распространяются и на участки подводных тоннельных трасс.
В отличие от горных тоннелей смягчение продольного уклона в подводных железнодорожных тоннелях осуществляется только в пределах тоннеля. Это объясняется тем, что при выходе локомотива за пределы тоннеля по вогнутому профилю полностью реализуется касательная сила тяги локомотива. Требуемое смягчение уклона в пределах тоннеля определяется по общим правилам, приведенным в первом разделе.
Выбор вариантов очертания продольного профиля и привязка его точек перелома выполняются с учетом местных условий рельефа дна и берегов. Оптимальным следует признать вариант, который обеспечивает лучшие тяговоэксплуатационные условия при минимальных объемах строительных работ.
При установлении величины уклонов в автодорожных тоннелях необходимо учитывать некоторые особенности движения в этих тоннелях:
тоннель, исключая короткие входные участки, закрыт от осадков;
температурный режим в тоннеле более ровный и в целом более благоприятный, чем на открытых участках дороги;
постоянный ток воздуха способствует быстрому просыханию проезжей части после попадания на нее случайной влаги;
при значительной общей стоимости тоннеля оправдано применение в нем покрытий усовершенствованных типов, обеспечивающих благоприятные условия сцепления и отличающихся другими высокими эксплуатационными качествами.
Правильный учет указанных особенностей позволяет повысить максимальный уклон в тех случаях, когда его определяют в зависимости от силы тяги, ограниченной по сцеплению.
В составе подводного тоннеля двускатного вогнутого профиля можно выделить следующие главные элементы (рис. 229): подходные участки и L2 и подводную часть Ln. Границами между этими участками служат горизонтальные проекции уреза поверхности воды пересекаемого водотока (или водоема) при меженном уровне.
В составе подходных участков можно выделить так называемую рампу — огражденную снизу и с боков железобетонную конструкцию, отделяющую собственно тоннель от земляного полотна дороги.
Подходным участкам железнодорожных тоннелей обычно придают максимально допустимые уклоны imax = (0,7 -? 0,9)tp-yK, постепенно смягчаемые ступенями по мере приближения к подрусловой части, что и создает цепную линию. Последней в зависимости от рельефа дна русла и длины перехода придают односкатный или двускатный профиль с минимальным уклоном от 2 до 5°/00.
В автодорожных тоннелях уклоны необходимо сопрягать при помощи вертикальных кривых. Величину радиуса сопряжения определяют из требования, чтобы водитель всегда видел проезжую часть на расстоянии пути торможения. При больших значениях биссектрисы вертикальных углов (более 15 см) тоннель замкнутой конструкции на участках сопряжений необходимо осуществлять по вертикальным кривым, что и следует учитывать при проектировании продольного профиля.
Рис. 229. Общая компоновка продольного профиля подводного тоннеля
Общая длина тоннельного перехода LT определяется как сумма горизонтальных проекций длин всех элементов продольного профиля между нулевыми точками, т. е. LT = Lj + L, + LB.
Сокращение общей длины подводного перехода может быть достигнуто путем выхода на пойменную насыпь, уменьшением глубины заложения тоннеля,
Рис. 230. Схема рампового участка
применением герметических щитов или использованием специальных способов сооружения
тоннеля.
Выход на пойменную насыпь применяется при благоприятном рельефе места перехода (см. рис. 229). В этом случае соответствующая подходная часть тоннеля может быть расположена в зоне низкого берега и вынесена на пойменную насыпь, что приведет к смещению нулевой точки и, следовательно,
к укорочению перехода.
Чтобы отыскать оптимальное решение, необходимо разработать все
конкурирующие варианты и сопоставить их в технико-экономическом
отношении.
Вопрос о выборе мест расположения порталов при проектировании подводных тоннелей имеет такое же существенное значение, как и для горных тоннелей. От расположения порталов зависит длина подводной части перехода, а следовательно, объемы, сроки и стоимость строительства. От этого фактора зависят такие эксплуатационные показатели перехода, как время пробега поезда (или автомобиля), расходы электроэнергии (или топлива), стоимость вентиляции, освещения и водоотлива.
Следует различать два возможных случая устройства подходов к подводным тоннелям: непосредственно от выемки к тоннелю и с устройством промежуточной рампы.
Первый случай соответствует незатопляемым береговым участкам, когда открытая выемка непосредственно примыкает к порталу тоннеля. Место перехода может быть определено из технико-экономического сопоставления 1 пог. м выемки и тоннеля с учетом всех дополнительных факторов, рассмотренных в главе II.
Практический диапазон глубин выемки в зависимости от устойчивости пород находится в пределах от 12 до 15 м.
Второй случай (рис. 230) характерен для затопляемых береговых участков, а также для городских условий.
Рампа 1 представляет собой железобетонную корытообразную конструкцию переменной высоты, предохраняющую головную часть тоннеля от затопления. Отметка верха торцовой и боковых частей рампы и отметка лотка в нулевой точке рампы должны превышать высший исторический уровень воды не менее чем на 1 м (с учетом ледохода и высоты волны). Рампа в пределах от нулевой точки до портала имеет нарастающую высоту, что может быть выполнено при монолитном железобетоне в виде плавного перехода, а при сборном железобетоне — в виде ступенчатого. Если высота рампы превышает габарит приближения строений, целесообразно применять распорки 2.
Место перехода от рампы к тоннелю может быть определено из техникоэкономических соображений с учетом дополнительных факторов, а также по конструктивным условиям (предельно допустимая высота рампы). В месте сопряжения с тоннелем устраивают водосборник 3 для перехвата дождевых вод и насосную установку.
§ 70. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О СПЕЦИАЛЬНЫХ СПОСОБАХ СООРУЖЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ТОННЕЛЕЙ
Наравне со способом щитовой проходки подводных тоннелей могут быть применены и другие способы, основанные на иных строительных приемах.
Для сооружения тоннельных переходов через реки или небольшие морские проливы применяют открытый способ ведения работ в огражденных котлованах. В других случаях опускают с поверхности на проектную отметку готовые железобетонные или стальные секции длиной до 100—150 м, сооружаемые в сухих доках или на верфях вне трассы тоннеля. По мере готовности такие секции спускают на воду и буксируют на плаву к месту их установки.
Глубина расположения тоннеля зависит от глубины осадки судов.
Основанием для таких секций могут служить: выровненное дно подводной выемки или русла водотока (водоема), дамба, бетонные подушки или опоры, возвышающиеся над дном. В последнем случае тоннель получает новую конструктивную форму (так называемый тоннельно-мостовой переход, или тоннель-мост).
Последнее решение представляет значительный интерес, так как оно позволяет осуществлять подводные переходы под глубокими морскими проливами.
Если глубина водной преграды не превышает 30—35 м, допускается применять способ опускных тоннелей-кессонов обычных или гидромеханизированных.
При проектировании глубоко заложенных подводных тоннелей неизбежно применение тоннелей большого протяжения. В частности, проектируемый подводный тоннель цод Ла-Маншем должен проводиться в меловых и юрских отложениях на глубине около 100 м от уровня моря. Общая длина тоннеля достигнет 38 км при весьма пологих уклонах подходных рамп.
Одновременно с сооружением главного перехода, состоящего из двух одинаковых тоннелей внутренним диаметром 5 м, должен возводиться тоннель диаметром 3 м, располагаемый рядом и несколько ниже, который первоначально будет использоваться как вспомогательный при проходке основного тоннеля, а впоследствии как водоотводный.
Еще более глубокий и длинный тоннель сооружают в Японии под морским проливом между островами.
§ 71. СРАВНЕНИЕ ТОННЕЛЬНЫХ И МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ
В практике тоннельного и мостового строительства часто возникает вопрос о сравнительных показателях тоннельных и мостовых переходов через крупные водные преграды с низкими берегами. При этом необходимо исходить из одинаковых эксплуатационных условий для сухопутных и водных путей сообщения, т. е. исключать из рассмотрения разводные мосты, которые не обеспечивают непрерывности судоходства. Сопоставлению с тоннельными переходами подлежат только мосты высокого уровня. Исключением могут быть некоторые городские мосты, периодичность эксплуатации которых допускается..
Рис. 231. Схема тоннельного и мостового переходов
На схеме тоннельного и мостового переходов (рис. 231) приведены основные параметры, характеризующие высоту и длину переходов:
Л, — превышение отметок берега и нормального уровня воды;
— высота подмостового габарита;
Лз — превышение отметок головки рельса (проезжей части моста) и верхней части габарита;
й4 — глубина расположения головки рельса (проезжей части тоннеля) ниже уровня воды;
— высота моста;
Ят — глубина заложения тоннеля;
— длина моста;
— длина подходных насыпей;
— полная длина мостового перехода;
i — продольный уклон подходных насыпей;
ZTl — длина подводной части тоннеля;
— длина подходных участков тоннеля;
£т — полная длина тоннельного перехода;
/т — продольный уклон подходных участков тоннелей.
В случае значительной высоты заданного подмостового габарита для океанских судов (около 50 м) и низких берегов к преимуществам тоннельного перехода относится меньшая длина всего перехода и в равной степени меньшая разность отметок головки рельса и уровня воды, т. е.
Hv = h^'rh^ £т = /т1 + 2/тг = /т1 + 2-^;
1Т
~ ^2 ^i> — /М1 -|- 2/м2 — /М1 + 2 ;
ЯТ<ЯМ, LT</M.
Увеличение конкурентоспособности тоннельных переходов по сравнению с мостами при пересечении водных преград объясняется следующими причинами: усовершенствование техники щитовой проходки и почти полная механизация комплекса строительного процесса, а также разработка новых приемов герметизированной щитовой проходки, в результате чего безопасность, качество, темпы и надежность строительства подводных тоннелей значительно увеличиваются; широкое применение специальных способов сооружения подводных тоннелей (опускание готовых секций, как правило, на подготовленное основание).
При интенсивном судоходстве наличие опор в русле уменьшает маневренность судов и создает опасность для них, что заставляет увеличивать судоходные пролеты мостов и приводит к значительному удорожанию последних. Выбирая вариант пересечения крупных рек и проливов, нельзя не учитывать преимущества подводных тоннелей, защищенных от воздействия ударов волн и льда при строительстве и эксплуатации. К важным преимуществам подводных тоннелей следует также отнести полную независимость работ от внешних факторов (время года, уровень воды, ледоход, ледостав, штормовые явления).
В городских условиях сопоставление вариантов переходов должно быть сделано с учетом архитектурных соображений, но при этом следует учитывать, что пересечения мостовых переходов с набережными в разных уровнях вызывают необходимость значительного развития подходов.
К числу недостатков подводных тоннелей по сравнению с мостами следует отнести необходимость устройства искусственной вентиляции и освещения транспортных тоннелей. Современная техника тоннелестроения позволяет достигнуть таких сроков и стоимости постройки подводных тоннелей, которые позволяют им конкурировать с мостами. Выбор варианта тоннельного или мостового перехода через водные преграды при низких берегах производится технико-экономическим сравнением конкурирующих вариантов. При высоких берегах принимается мостовой переход, всегда имеющий меньшую длину по сравнению с тоннельным.
Глава 18
КОНСТРУКЦИИ СБОРНЫХ ОБДЕЛОК КРУГОВОГО ОЧЕРТАНИЯ
§ 72. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Сборные тоннельные обделки, широко применяющиеся при щитовом спо" собе сооружения тоннелей, обеспечивают возможность индустриализации н комплексной механизации ведущих производственных процессов, а следовательно, повышения качества и сокращения сроков сооружения при постоянном снижении стоимости строительства.
Советские специалисты предложили новые методы статического расчета тоннельных обделок, что позволило запроектировать унифицированные конструкции, отличающиеся рациональным использованием материала и экономичностью.
К сборным тоннельным обделкам предъявляют следующие основные требования. Обделка должна обладать достаточной устойчивостью и прочностью для восприятия постоянных и временных нагрузок, включая давление щитовых домкратов. Кроме того, обделка должна быть водонепроницаемой и долговечной, а ее элементы — взаимозаменяемыми. Сборка обделки должна быть безопасной, по возможности простой и быстро осуществляемой операцией.
Сборные обделки чаще всего имеют круговое поперечное сечение, что объясняется конструктивными и производственными причинами.
Круговое очертание обделки, находящейся в условиях всестороннего давления, обеспечивает ее рациональную работу, однотипность элементов, а также позволяет поворачивать кольца обделки вокруг продольной оси тоннеля и применять механизированные щиты.
Различают сборные обделки двух видов: 1) обделка, вступающая в работу в качестве несущей конструкции сразу после сборки; 2) первичная обделка, используемая для крепления выработки, но требующая укладки впоследствии вторичной, внутренней обделки. Между двумя последними помещают гидроизоляционный материал.
Вторичная обделка в зависимости от значения, придаваемого первичной обделке в общей конструкции, может служить лишь оболочкой для поддержания гидроизоляции или быть основной несущей конструкцией, имеющей наружную гидроизоляцию, защищенную первичной обделкой.
В качестве материала для сборных обделок применяют бетон, железобетон, чугун и сталь. Исследуются новые материалы — полимербетон и литые каменные породы.
Выбор материала зависит от инженерно-геологических условий расположения тоннеля и его назначения (транспортный или гидротехнический).
Тоннели относятся к наиболее дорогим и сложным сооружениям в транспортном строительстве. Затраты на материалы достигают 50% общей стоимости сооружения, поэтому замене металла в тоннелестроении другими материалами придается большое значение. Однако металлические обделки наиболее полно отвечают предъявляемым к сборным обделкам требованиям и имеют еще достаточно широкое применение в тяжелых гидрогеологических условиях, поэтому целесообразно начать с них изучение особенностей сборных тоннельных обделок.
§ 73. СБОРНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ТОННЕЛЬНЫЕ ОБДЕЛКИ
Обделка из чугунных тюбингов. В тоннелестроении наиболее широко применяется серый чугун марки СЧ21-40, обладающий достаточно высокой устойчивостью против коррозии. Прочность такого чугуна характеризуется 250
величинами сопротивления на растяжение и сжатие:
Rp = 21 кгс/ммг и Ru = 40 кгс/мм2.
Так как сопротивление чугуна растяжению сравнительно невелико, размеры элементов обделки подбирают с неполным использованием прочности чугуна на сжатие.
При необходимости может быть применен так называемый модифицированный чугун марок МСЧ (28—38)—(90—120). Механические свойства модифицированного чугуна повышаются благодаря применению графитизи-
Рис. 232. Схема разбивки кольца чугунной обделки на элементы
рующих присадок в жидкий чугун, создающих мелкозернистую структуру. В качестве присадок используют ферросилиций в количестве 0,1—0,6%.
Конструкция чугунной обделки. Чугунная обделка тоннелей представляет собой цилиндрическую трубу, состоящую из последовательно собираемых колец одинакового типа и размера. Каждое кольцо состоит из сегментов коробчатого сечения — тюбингов, сболчиваемых между собой и со смежными
кольцами. Разбивку кольца обделки на составные элементы (тюбинги) в основном подчиняют удобству сборки и перемещения. Поэтому в составе кольца (рис. 232) предусматривают один верхний тюбинг клиновидной формы (ключевой К), два тюбинга, смежных с верхним, промежуточной формы (смежные С) и остальные стандартной формы (нормальные Н) с бортами, направленными
радиально.
Основные размеры тюбингов устанавливают исходя из конструктивнопроизводственных соображений. Механизированная формовка опок для отливки возможна при наибольшей длине тюбинга 200 см. Этот размер ограничивает до 160—190 см с тем, чтобы вес одного элемента не превышал 1,0— 1.5 т, что позволяет производить монтаж обделки обычными средствами (см. главу 22).
Ширину тюбингов определяют главным образом в зависимости от устойчивости пересекаемых пород и размеров поперечного сечения тоннеля. Так, например, для тоннелей метрополитенов нижний предел ширины кольца тюбингов составляет 50 см, верхний — 100 см. Чем устойчивее порода и меньше диаметр выработки, тем больше может быть ширина кольца тюбингов. Это объясняется условиями безопасности проходческих работ в забое щита.
Общее направление современного проектирования — увеличение длины тюбинга, ширины кольца обделки и изменение формы лоткового элемента, что приводит к уменьшению протяжения стыков, количества болтов и операций по сборке и очистке лотка, приходящихся на 1 пог. м тоннеля. В соответствии с этим видоизменяются конструктивные формы обделки, режимы работ и ме-
хановооруженность проходческих щитов.
Для уменьшения трудоемкости и стоимости работ по очистке лотка от породы создана обделка кругового очертания с плоским лотком. Кольцо внешним диаметром 5,1 м с плоским лотком из тюбингов (рис. 233) состоит из лоткового блока ЛП2 с плоской поверхностью, четырех тюбингов Н-З-Л, трех тюбингов Н-2-Л, двух тюбингов С-2-Л и одной замковой клиновидной прокладки.
Лотковый блок выполнен из железобетона. Его плоская поверхность покрыта двумя чугунными ребристыми плитами, служащими гидроизоляцией блока. Эти плиты, связанные анкерами с арматурным каркасом блока, во всех сопряжениях образуют чеканочные канавки для гидроизоляции швов. Такой железобетонный блок по водонепроницаемости равноценен чугунному тюбингу .
Рис. 233. Схема кольца чугунной обделки с плоским лотком
Рис. 234. Схема кольца чугунной обделки с плоским лотком и тремя ключевыми тюбингами
В центре лоткового блока имеется отверстие переменного сечения для крепления захвата тюбингоукладчика, а также для нагнетания за обделку. Крепление лоткового блока к радиальным торцам примыкающих тюбингов — болтовое.
Обделка такого типа предусмотрена для участков тоннелей метрополитена, проходимых без щита, так как при замыкании кольца по условиям монтажа необходимо несколько приподнимать торец одного смежного тюбинга.
Для условий щитовой проходки создана чугунная обделка диаметром 5,2 м с плоским лотком. Конструкция этой обделки позволяет замыкать кольцо изнутри (рис. 234).
В составе кольца, помимо плоского лоткового блока, конструкция которого такая же, как в ранее описанной обделке, предусмотрены три тюбинга ключевых, четыре тюбинга нормальных, четыре тюбинга смежных. В обделках обоих типов кольца комплектуются из обычных стандартных тюбингов; плоский лотковый блок необходимо выполнять с высокой степенью точности.
При увеличении ширины тюбинга целесообразно дополнительно вводить промежуточное кольцевое ребро. Трехреберный тюбинг шириной 100 см обладает при меньшем весе повышенной прочностью и жесткостью.
Тюбинг (рис. 235) представляет собой литое изделие, имеющее плиту-оболочку с цилиндрической поверхностью, обращенной к породе, четыре борта, окаймляющих оболочку и направленных внутрь тоннеля. Эти борта служат для соединения отдельных тюбингов в кольца и целых колец между собой. Кроме того, борта придают оболочке и обделке в целом необходимую жесткость.
Борта, параллельные,продольной оси тоннеля, называются продоль-ы м и, а перпендикулярные к оси тоннеля носят название поперечных, или круговых.
Продольные борта служат для соединения отдельных тюбингов в кольцо, а поперечные — для соединения колец между собой.
Все борта имеют одинаковую форму и размеры поперечного сечения; для обеспечения плотного взаимного примыкания и повышения водонепроницаемости их наружные поверхности подвергают механической обработке и снабжают фальцами. При сборке двух, соприкасающихся
радиальн
Рис. 235. Общий вид тюбинга
тюбингов эти фальцы образуют желобок, предназначенный для зачеканки стыков.
Основной параметр тюбинга, определяющий размер выработки — высоту борта /гб, назначают в зависимости от внутреннего диаметра обделки
В устойчивых водоносных породах предварительно можно принять /гб = (0,02—0,03)£)вн; для неустойчивых пород 0,04 £)вн.
Толщина бортов определяется величиной гибкости консольной части борта, т. е. отношением
— — 3 — 4, (179)
а
Давление домкратов
Накладки
Рпс. 236. Схема перевязки продольных стыков
где /— длина консольной части борта;
а — толщина борта в месте его заделки.
Оболочке тюбинга, рассчитываемой с учетом ее кривизны на растяжение и сжатие при разных сочетаниях внешних нагрузок, обычно придают переменное сечение. Минимальная толщина оболочки по условиям долговечности и процесса чугунного литья 18—20 мм.
Переход от оболочки расчетной толщины t к бортам выполняют в виде вутов с уклоном 1/6—1/9. Получаемая в этом месте толщина а определяет и наибольшую толщину борта.
В оболочке каждого тюбинга имеется нарезное отверстие диаметром до 60 мм для нагнетания раствора, закрываемое металлической пробкой.
С целью повышения жесткости колец обделки, особенно в монтажный период, когда обделка деформируется под действием собственного веса, применяют перевязку продольных стыков: смещают каждое кольцо на два болтовых отверстия с таким расчетом, чтобы тюбинги двух соседних колец выполняли роль накладок (рис. 236).
Все тюбинги и кольца соединяют стальными болтами диаметром 20— 45 мм.
Болтовые отверстия в поперечных бортах располагают в один ряд по средней линии с одинаковым шагом, что обеспечивает взаимозаменяемость тюбингов, длина которых кратна шагу отверстий, и возможность сболчивания соседних колец при любом их взаимном расположении, т. е. позволяет осуществить в необходимых случаях перевязку продольных швов.
Болты, устанавливаемые в поперечных бортах, выполняют роль монтажных соединений, вступающих в работу лишь при значительном прогибе всего тоннеля как балки на упругом основании.
Болты в продольных бортах, являющиеся рабочими, располагают в два ряда в шахматном порядке, чтобы не допустить раскрытия швов внутрь и наружу кольца под действием изгибающих моментов переменного знака. Чтобы уменьшить величину последних, болты располагают в один ряд. Для облегчения сборки диаметры болтовых отверстий принимают на 3—4 мм больше диаметра болтов.
В случае применения чугунной обделки, обжимаемой в породу (см. § 74), тюбингам придают шарнирные соединения в продольных стыках (рис. 237), что обеспечивает более рациональную работу материала обделки (на сжатие) н всей конструкции в целом.
Для удобства отливки и расформовки тюбингов внутренним граням бортов придают уклон 1/30. Все борта с внутренней стороны снабжаются приливами, окаймляющими болтовые отверстия и имеющими плоскости, параллельные наружной грани бортов. Диаметр прилива несколько больше диаметра
Рпс. 237. Шарнирный стык чугунной обделки
Рис. 239. Гидроизоляция болтовых отверстий:
/ — асбобнтумная или полимерная шайба; 2 — сферическая шайба
Рис. 238. Борт тюбинга
шайбы. Вокруг болтового отверстия имеется углубление-зенковка 2 для размещения гидроизоляционной шайбы 1 (рис. 238).
Так как обделка подвергается давлению щитовых домкратов, распределенному по торцовой плоскости круговых бортов, то все тюбинги, за исключением ключевого, усиливают продольными диафрагмами, располагаемыми через одно-два болтовых отверстия. В поперечном сечении диафрагмам придают форму распорки или треугольных контрфорсов, усиливающих борта. В местах примыкания диафрагмы к бортам имеются сквозные вырезы, необходимые для компенсации температурных напряжений, вызываемых неравномерным остыванием отливки.
Мероприятия по обеспечению водонепроницаемости чугунной обделки сводятся к гидроизоляции болтовых отверстий (рис. 239), швов между тюбингами и отверстий для нагнетания (см. § 98).
Обделка на криволинейных участках трассы. При сооружении обделки тоннелей на криволинейных участках трассы применяют специальные клиновидные (угловые) кольца тюбингов. Такие кольца в зависимости от радиусов кривизны трассы помещают вперемежку с нормальными кольцами и путем различных сочетаний с последними получают необходимые в каждом случае отклонения. Последовательность размещения клиновидных колец устанавливается по монтажным чертежам под руководством маркшейдеров.
Клиновидные кольца отличаются от нормальных тем, что плоскости их поперечных бортов не параллельны, а отклоняются под небольшим углом (25')- Такие кольца могут быть универсальными для самых различных случаев поворота трассы, что достигается включением в кольцо четырех ключевых тюбингов, диаметрально расположенных на противоположных сторонах.
Вместо клиновидных колец можно применять металлические или железобетонные прокладки переменной толщины, укладываемые в поперечных швах нормальных колец тюбингов в соответствии с проектной схемой, что, однако, менее целесообразно из-за усложнения монтажных работ.
Дальнейшее улучшение конструкции чугунной обделки должно быть направлено на уменьшение ее веса и стоимости и снижение излишних запасов прочности. Последнее может быть достигнуто подбором сечений тюбингов в соответствии с эпюрой моментов и приданием обделке большей деформатив-ности в стыках, что лучше вовлекает окружающий массив в совместную работу с обделкой и снижает расчетные усилия.
Обделка из стальных тюбингов. Обделка из стальных тюбингов применяется в тоннельном строительстве сравнительно редко; она имеет следующие преимущества перед чугунной обделкой.
Сталь в отличие от чугуна одинаково хорошо работает на сжатие и растяжение, поэтому стальные тюбинги при равной прочности с чугунными могут быть более легкими.
Вес стальной обделки может быть уменьшен в 2—2,5 раза по сравнению с чугунной обделкой, вследствие чего размеры тюбингов могут быть укрупнены и, следовательно, темпы укладки обделки увеличены.
Прочность и водонепроницаемость стальной обделки можно увеличить путем сварки стыков обделки1.
1 В последний период начали также осваивать сварку чугуна.
Стальная обделка может быть выполнена аз литых, подобных чугунным, и штампованных тюбингов, а также из тюбингов, изготовленных из сортовой прокатной стали.
Основной недостаток стали как материала зля тоннельных обделок — плохое сопротивление коррозии. Этот недостаток может быть устранен повышением химической стойкости стали, применением специальных покрытий юцинкованием) или введением легирующих добавок (меди), однако последнее приводит к значительному удорожанию обделки.
Высокая стоимость и известная дефицит-
ность стали ограничивают широкое применение стальных обделок. Область возможного применения стали в тоннелестроении — обделки подводных тоннелей и внутритоннель-ные конструкции, защищенные от непосредственного влияния воды.
Особенности обделок подводных тонне-
Рис. 240. Типовая конструкция обделки подводного тоннеля:
/ — приточный капал; II — вытяжной канал; /— отверстие для впуска воз* духа; 2 — водоотвод из канала II; 3 — водопровод; 4 — кабель высокого напряжения; 5 — кабели низкого напряжения; 6 — осветительные устройства; 7 — отверстия для выпуска воздуха; 3 —
лей. При ЩИТОВОМ способе проходки на ста- сигнальное устройство; 9 - реле тическую работу обделок подводных тоннелей
влияет состояние окружающей среды (плывун, ил) и протяженность тонне
лей. Эти факторы приводят к усложнению конструкции и условий строи-
тельства.
Обделка из чугунных или стальных тюбингов имеет внутреннее облицовочное заполнение из бетона, которое увеличивает собственный вес конструкции (что предотвращает всплывание в илистых породах), а также выравнивает внутреннюю поверхность, уменьшая сопротивление потоку воздуха.
Устройства, необходимые для нормальной эксплуатации тоннеля (электрокабели высокого и низкого напряжения, осветительная и сигнализационная системы, водопровод и т. п.), обычно помещают в пустотелые бетонные блоки, монтируемые в боковых частях тоннеля, а также под пешеходными тротуарами. Для конструкций автодорожных подводных тоннелей характерно повышенное расположение проезжей части и размещение вне транспортной зоны системы приточных и вытяжных вентиляционных каналов.
Чтобы придать конструкции подводного тоннеля жесткость в продольном направлении, обеспечивающую тоннель от изгиба, под проезжей частью иногда помещают дополнительные металлические или железобетонные балки или включают такие балки в конструкцию проезжей части.
Вентиляционные каналы отделяются от транспортной зоны легкими подвесными железобетонными конструкциями, которые прикрепляются к несущей части обделки. Такие конструкции работают на собственный вес и дополнительную нагрузку, возникающую при ремонтных работах (вес человека). Иногда проезжую часть помещают на более высоком уровне, что позволяет использовать нижнюю часть для последующего путевого развития в нижнем уровне, а также для специальных целей.
Конструктивные особенности обделок подводных транспортных тоннелей и их оборудование показаны на примере двухполосного автодорожного тоннеля, размеры поперечного сечения которого приблизительно соответствуют железнодорожным однопутным тоннелям (рис. 240).
§ 74. СБОРНЫЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ТОННЕЛЬНЫЕ ОБДЕЛКИ
Полная или частичная замена металла в тоннелестроении сборным железобетоном является важной проблемой, которая поставлена перед строителями решениями партии и правительства. Успешное разрешение этой проб
лемы дает большую экономию металла, позволяет сократить расход лесных материалов, повысить производительность труда и темпы строительства. Этими задачами определяется главное направление индустриализации методов строительства.
Отдельные попытки замены чугуна железобетоном в тоннельном строительстве имели место и в ранний период метростроения. Широкому распространению сборного железобетона мешала недостаточная разработанность расчетных и конструктивных приемов для рационального проектирования, отсутствие практических данных по гидроизоляции, способам монтажа и т. п.
Технология изготовления. Вопросы технологии изготовления высокопрочных бетонов (марки 200—600 кгс/см2) нашли свое разрешение при переходе на уплотненные жесткие смеси. Последние имеют по сравнению с пластичными смесями ряд важных преимуществ: быстрый рост прочности во времени, возможность получать бетон, прочность которого выше активности цемента, большая плотность и лучшие механические показатели, экономия цемента до 25%. Для получения всех этих качеств применяют механические средства уплотнения — эффективное вибрирование, виброштампование и вакуумирование.
Недостаток применения жестких смесей при интенсивном виброуплотнении — образование микротрещин на контакте с арматурой вследствие взаимного сдвига фаз внутренних колебаний арматурного каркаса и смеси. По этим трещинам может просачиваться вода.
Наиболее эффективно применение жестких смесей в сочетании с горячекатаной арматурой периодического профиля классов А-П, А-Ш. Надежное анкерование арматуры позволяет использовать ее в железобетонных конструкциях без устройства крюков на концах стержней, что упрощает заготовку арматуры и снижает расход стали.
При изготовлении железобетонных элементов обделок на заводах используются современные технические средства, позволяющие применять механизированные технологические линии.
Основой технологии изготовления железобетонных элементов является матричный способ формования с быстрым снятием формы. Бетонную смесь укладывают в форму с установленным в ней арматурным каркасом, располагаемую на виброплощадке, разравнивают и устанавливают поддон.
После кратковременного вибрирования и поворота форм на 180° поддоны с изделиями переносят мостовым краном в отделение предварительного твердения и, обильно увлажняя, выдерживают там в течение 16 ч. Затем изделия без поддонов помещают в камеру вызревания, где они обильно увлажняются при постоянной температуре 20° С. В камере вызревания изделия находятся в течение шести-семи суток.
Прочность железобетонных изделий, полученных описанным способом, достигает 450—600 кгс/см2.
Сменная производительность одной технологической линии при четырех формах — 35 элементов обделки.
Вакуумирование как средство отсоса паровоздушной смеси из бетонной массы в процессе изготовления блока практически не обеспечивает его водонепроницаемости.
Для получения плотной структуры бетона более рационально применение виброударного пригружающего устройства. Его применение позволяет повысить жесткость бетонной смеси, снизить расход цемента и предотвратить образование пустот на спинке блока. Водонепроницаемость бетона может быть повышена также за счет улучшения его структуры введением специальных добавок на основе глиноземистых шлаков. Для той же цели служит водный экран в процессе тепловой обработки, что приводит к уменьшению пор и трещин, появляющихся при испарении воды из бетонной смеси. Водный экран создают заполнением форм с блоками водой да верха, что целесообразно при любой технологии изготовления блоков.
Рис. 241. Полуглухая еюрма для изготовления блоков:
f — боковая стенка; 2 — тор-хвый борт; 3 — детали для Фрчовапня отверстия: 4 — вл^адыш; 5 — съемным бор г; * — ушхо; 7 — часть, форму* «шая борт; в —днище; 9 — зажим; 10 — подкладка
Другое направление в технологии изготовления железобетонных элементов основано на применении пластичных бетонных смесей и принудительном отжатии излишков воды центробежным способом.
К числу важных задач при создании рациональной конструкции сборной железобетонной обделки относится сокращение до минимума отклонений геометрической формы и размеров обделки от проектных. Причина отклонений заключается в неточности изготовления элементов конструкции и в принятом способе работ.
При обычном способе монтажа (без обжатия) влияние первого фактора сравнительно невелико. Основное влияние оказывает технология монтажа. При сооружении тоннеля с обжатием обделки в породу (см. § 75) влияние конструктивных размеров блоков возрастает, поэтому необходима повышенная точность геометрических размеров форм. Этим требованиям удовлетворяет полуглухая форма (рис. 241) с откидными кольцевыми и неподвижными продольными бортами и их плотным соединением при большем сроке выдержки е ней уплотненной бетонной смеси до расформовывания.
Классификация сборных железобетонных обделок. Сборные железобетонные обделки могут быть классифицированы по трем признакам: А — по роду связей в продольных стыках; Б — по характеру взаимодействия с окружающей породой и fl — по конструктивному решению рабочих сечений эле-Аоентов обделки.
А — обделки без связей растяжения, с временными связями, с постоянными связями.
Б — обделки шарнирно-изменяемые, предварительно обжимаемые.
В — элементы сплошного сечения, ребристого, комбинированного.
Некоторые разновидности сборных железобетонных обделок рассмотрены на конкретных примерах. Основная задача при проектировании таких обделок состоит в том, чтобы разгрузить стыки в наиболее напряженной зоне обделки — в своде и повысить тем самым несущую способность обделки, определяемую прочностью стыков. Стыки в сборных железобетонных обделках целесообразно располагать в местах с нулевыми моментами.
Обделка без связей растяжения. Эта конструкция показана на примере перегонных тоннелей Киевского метрополитена первой очереди строительства (рис. 242). Кольцо такой обделки состоит из семи блоков сплошного прямоугольного сечения трех типов — нормальных, смежных е ключевого. Разбивка на элементы выполнена так, что четырем нормальным г.
блокам соответствуют центральные углы по 60е, а двум смежным и ключевому вместе — 120°. Такая разбивка позволяет видоизменять состав элементов кольца в зависимости от способа проходки.
При щитовой проходке в состав кольца входят блоки всех трех разновидностей, а при бесщитовой — шесть нормальных блоков. Возможность сборки однотипных блоков в последнем случае обеспечивается перебором породы над замковой частью обделки на 15—20 см. Кольца обделки имеют перевязку продольных стыков на половину длины нормального блока.
В конструкции блоков имеются полуцилиндрические пазы-канавки 2 (см. рис. 242) радиусом 3,5 см, располагаемые посередине высоты радиальных и кольцевых граней. Чтобы обеспечить точность укладки блоков, в пазы-канавки предварительно устанавливают отрезки стальной трубы (d = 6,4 см: I = 40 см), заполненные цементным раствором. Эти отрезки выполняют роль фиксирующих шпонок 1. В верхней части кольца такие шпонки удерживают ключевой блок, имеющий взаимно параллельные продольные грани.
Кольцевой паз, заполняемый впоследствии цементным раствором, играет роль своеобразной шпонки. Для нагнетания в каждом блоке имеется по два отверстия 3, связанных с пазами, и по два отверстия для нагнетания раствора за обделку. По внутреннему периметру блоков имеются чеканочные канавки 5 глубиной 5—6 см.
Арматурные каркасы железобетонных блоков — сварные из стальных стержней периодического профиля диаметром 16 мм и круглого профиля диаметром 6—10 мм с петлевыми выпусками 4 арматурной стали, приваренными к основному каркасу.
Обделка с временными связями растяжения К этому типу относится приведенная конструкция обделки из железобетонных блоков ребристого сечения (тюбингов), где болты играют роль монтажных соединений. В эксплуатационный период недопустима передача моментов на борт, так как он имеет недостаточную прочность. Поэтому после проведения контрольного нагнетания такие болты заменяют короткими стальными шпильками с последующей чеканкой концевых участков болтовых отверстий цементной замазкой (БУС).
Такая конструкция сборной обделки состоит в поперечном сечении из десяти железобетонных тюбингов трех типов: нормальных (7 шт.), смежных (2 шт.) и ключевого; ширина кольца 100 см.
Железобетонные тюбинги (рис. 243) представляют собой ребристые конструкции, подобные чугунным, с двумя-тремя кольцевыми и двумя радиальными бортами толщиной по 10—15 см. Высота борта 20—25 см, толщина оболочки 6—8 см.
Для восприятия усилий щитовых домкратов в каждом тюбинге имеются две-три продольные диафрагмы толщиной по 8—10 см.
Тюбинги соединяются между собой при помощи трех-четырех болтов в кольцевых бортах и двух-четырех в радиальных. Отверстия для болтов укрепляются стальными закладными трубками с фланцами. Для обеспечения гидроизоляции обделки по внутреннему периметру тюбингов имеются фальцы, образующие в’стыках канавки размером 32>: 12 мм, зачеканиваемые цемент-
Рпс. 242. Сборная железобетонная обделка без связей растяжения в продольных стыках
Рис. 243.
Железобетонный тюбинг
ной замазкой. Для нагнетания за обделку цементного раствора в каждом тюбинге имеется отверстие, в которое вмонтирована стальная трубка с внутренней нарезкой.
Арматура тюбингов представлена сварными каркасами из стержней круглого профиля или из горячекатаных стержней периодического профиля.
Обделка из железобетонных тюбингов имеет следующие достоинства: уменьшается в два раза объем железобетона по сравнению с обделкой из блоков; облегчаются транспортные и монтажные работы ввиду небольшой массы элементов (<-'0,5 т); обеспечиваются удобство и точность сборки обделки благодаря наличию болтовых связей; обделка может быть применена как при щитовой, так и при эректорной проходке ввиду возможности постановки ключевого элемента в плоскости собираемого кольца.
К недостаткам обделки относятся: увеличение на 30—40% расхода стали по сравнению с обделкой из блоков; повышение сопротивления воздушному потоку при вентиляции и движении поездов, вызываемое ребристой внутренней поверхностью тоннеля; увеличение водопроницаемости обделки вследствие наличия закладных частей и недостаточной прочности болтовых соединений; опасность поломок бортов и образования трещин в оболочке тюбингов от давления щитовых домкратов; ухудшение очистки лотковой части тоннеля вызываемое наличием ребер тюбингов.
Для увеличения несущей способности и водонепроницаемости сборной обделки из железобетонных тюбингов последние могут быть усилены. Кольцо обделки (рис. 244) наружным диаметром 6 м и шириной 100 см состоит из десяти тюбингов трех типов: нормальных (7 шт.), смежных (2 шт.) и ключевого без внутренних ребер и диафрагм.
Усиление тюбингов (см. рис. 244, б) достигается путем увеличения высоты борта до 45 см, а повышение водонепроницаемости — утолщением оболочки до 25 см и увеличением глубины фальцев до 50 мм.
Для возможности установки монтажных шпилек торцовые борта тюбингов уширены до 26 см.
Связь колец в монтажный период осуществляется путем постановки болтов или оправок в кольцевых бортах. После контрольного нагнетания эти связи заменяют укороченными штырями, а торцовые участки отверстий зачёка-нивают замазкой из расширяющегося цемента.
Для сопряжения ключевого тюбинга со смежными применяются составные (из трех частей) железобетонные шпонки диаметром 96 мм, последовательно заводимые с торца обделки.
В качестве арматуры в тюбингах применяются сварные каркасы из стали периодического профиля диаметром 25 — 28 и 6—14 мм с петлевыми выпусками.
Достоинства обделки — ее значительная несущая способность и повышенная водонепроницаемость. К недостаткам обделки относится ее деформа-тивность в период монтажа. Это обстоятельство учтено при дальнейшем проектировании: число дополнительных связей в кольцевых бортах доведено до четырех.
Общим недостатком, характерным для всех обделок из железобетонных тюбингов, следует признать трудность защиты нижней части обделки от загрязнения и ее последующей очистки. Для устранения этого недостатка, а также с целью создания готового основания для откаточных путей вводят в состав обделки специальный нижний лотковый элемент с плоской внутренней поверхностью.
Современная конструкция обделки с плоским лотком (рис. 245) включает в поперечном сечении семь элементов четырех типов: нормальных (3 шт.), смежных (2 шт.), ключевого и лоткового. Ширина кольца обделки составляет 100 см, высота борта 30 см, толщина оболочки 15 см.
Разбивка кольца на элементы обеспечивает одинаковые центральные углы 60°, соответствующие лотковому и нормальным тюбингам, и центральный угол 120°, соответствующий двум смежным и ключевому тюбингам. Такая разбивка позволяет в случае необходимости принять все тюбинги (см. рис. 245, б) нормальными (без ключевого элемента).
Нижний элемент обделки создает плоский лоток шириной 222 см, на котором помещаются два откаточных пути. Для уменьшения веса лоткового элемента ему придают с наружной стороны ребристую форму. Образующаяся при этом полость заполняется недобранной породой или нагнетанием гравия.
Соединение тюбингов и колец между собой в кольцо осуществляется при помощи штырей по аналогии с усиленной обделкой. Ключевой тюбинг фиксн-
Рис. 244. Сборная железобетонная обделка из усиленных тюбиигов:
а — схема копии г. б — тюбинг; / — болтовые отнер-СТИН; 2 — ЛСТ.1Г для захвата блока; 3 — отверстии для монтажные шпилек
Рис. 245. Сборная железобетонная обделка из тюбингов с плоским лотком: а —схема кольца; б —тюбинг; / — шпонка; 2 — гнездо для штыря; 3 — отверстие для нагнетания раствора в стык
руется при помощи двух (составных по длине) железобетонных шпонок диаметром 72 мм.
Обделка с постоянными связями растяжения. Такая обделка может быть рассмотрена на примере четырехблочной конструкции, успешно примененной на строительстве железнодорожных и гидротехнических тоннелей. Обделка наружным диаметром 8,2 м состоит из четырех блоков шириной 75 см и толщиной 50 см, связанных между собой и омо-ноличенных.
Разбивка кольца на блоки (рис. 246) выполнена так, что верхний блок с центральным углом 100° устанавливают в первую очередь, боковые блоки с центральным углом 80° устанавливают последовательно и, наконец, нижний блок с центральным углом 82° укладывают последним. Между торцами нижнего и прилегающих боковых блоков остаются зазоры с центральным углом 9е, заполняемые впоследствии бетоном.
Для монтажа такой обделки требуется применение специального блоко-укладчика (см. § 93).
Для связи между отдельными блоками из тела блоков выпускается арматура, скрепляемая разными способами.
В стыках между верхними и боковыми блоками, имеющих уступчатую форму, предусматривают выпуски петлевой арматуры, связываемой постановкой замыкающего стержня.
В нижних — плоских — стыках арматура имеет вид стержней, временно отгибаемых при установке блоков; связь стержней осуществляется свар-
ся бетоном на глиноземистом цементе.
Для предотвращения относительных смещений отдельных колец обделки кольцевым швам в вертикальной плоскости придается уступчатая форма, благодаря чему обеспечивается совместная работа обделки как пространственной системы.
К положительным качествам обделки из крупных блоков следует отнести ее большую несущую способность, сохранность кругового очертания
Рис. 246. Сборная железобетонная обделка с постоянными связями растяжения:
/ — замок; 2 — замыкающий стержень
и небольшую протяженность швов, что характеризует такую обделку как приспособленную для больших нагрузок и обводненных условий.
Для включения в совместную работу обделки и породы как упругой среды необходимо уменьшить жесткость обделки путем снижения ее излишней конструктивной толщины. Чтобы придать обделке водонепроницаемость, необхо
димо принимать специальные дополнительные меры по гидроизоляции швов. Основной недостаток обделки состоит в том, что стыки между нижними боковыми блоками бетонируют на месте, что требует выдержки в течение 4 ч до передвижки щита и, следовательно, ограничивает скорость проходки. Возможны случаи поломки этих стыков при передвижках щита. Кроме того, крупные блоки требуют применения специальных подъемно-транспортных средств н в отдельных случаях увеличения сечения подходных выработок.
К числу обделок с постоянными связями растяжения относятся .конструкции из так называемых фигурных блоков сплошного н ребристого сечений, в которых взаимная связь осуществляется за счет выступов н впадин, образующих пространственную перевязку швов, и заклинивающих элементов. Существует несколько разновидностей таких обделок, отличающихся по форме блоков.
В качестве примера рассмотрена конструкция обделки, составленная нз однотипных фигурных блоков сплошного сечения (рис. 247).
Такая обделка (внешним диаметром 6 м) состоит нз колец средней шириной 85 см. В каждом кольце предусмотрено шесть одинаковых блоков толщиной по 30 см. Блоки имеют форму «восьмерки» со ступенчатыми кольцевыми гранями и несколько скошенными — торцовыми. Вследствие этого блоки двух смежных колец входят выступами в соответствующие впадины и обеспечивают жесткость и геометрическую неизменяемость обделки.
Клиновидная форма торцовых граней блока используется для получения эффекта расклиннвання кольца после заведения последнего блока в продольном направлении.
По внутреннему периметру блоков имеются фальцы глубиной 60 мм для последующей чеканки цементной замазкой. В блоках предусмотрено по два отверстия диаметром 60 мм для нагнетания растворов и по два монтажных петлеобразных захвата, приваренных к арматурному каркасу.
К достоинствам обделки может быть отнесено следующее: однотипность крупных блоков, увеличение несущей способности обделки за счет уширения блоков в стыке, обеспечение жесткости и геометрической неизменяемости обделки в монтажный период.
К недостаткам обделки относятся: необходимость обеспечения высокой сложной конфигурации затруднительно; сложность монтажных работ вследствие отсутствия связей; невозможность применения при бесщитовой проходке, так как последний блок устанавливается путем продольного перемещения.
Ш а р н и р н о-н з м е н я е-мая обделка. Опыт практического применения сборных железобетонных обделок и проверка их работы на экспериментальных стендах показывают, что несущая способность таких обделок определяется прочностью стыков. Такне обделки имеют недостаточную трещнно-устойчнвость, что объясняется
Рис. 248. Разновидность стыков сборных железобетонных обделок:
i— плоский; б —с прокладкой; в — со скошен-• ымн углами; с —с вкладышами; д — цилиндрический; е — с плитами
Рис. 249. Унифицированная железобетонная обделка с шарнирными стыками: ' — отверстие для нагнетания; 2 — монтажные шпильки
возникновением значительных изгибающих моментов разного знака и плохой работой бетона на растяжение. Улучшить конструкцию обделки и повысить ее трещиноустойчивость можно снижением величин изгибающих моментов.
Конструктивными мероприятиями, приводящими к центрированию усилий в стыках, могут быть: придание стыкам цилиндрической формы, постановка в стыках цилиндрических шарниров, местное сужение торцовых площадок и. наконец, применение упругих прокладок (рис. 248). Второе и третье мероприятия приводят к концентрации напряжений в стыках и некоторому осложнению процессов изготовления элементов обделки и их монтажа.
Наиболее правильным решением следует признать придание торцам блоков цилиндрической формы, что снижает величину изгибающих моментов и обеспечивает удобство монтажа.
Наличие шарниров приводит к образованию моментов одного знака, что гарантирует отсутствие растяжения с внутренней стороны блоков. Благодаря этому предотвращается опасность трещинообразования в растянутой зоне и создается возможность применять любую гидроизоляцию.
Цилиндрическое сопряжение воспринимает как нормальную, так и поперечную силу при условии обеспечения от относительных смещений соседних блоков, которое может быть достигнуто применением петлеобразных связей с замыкающими штырями.
Целесообразно применение в стыках упругих прокладок с минимальным значением коэффициента Пуассона. Такие прокладки играют роль шарниров, т. е. обеспечивают возможность некоторого поворота торцов смежных блоков, солее равномерно распределяют напряжения в стыках (за счет смятия прокладок без их расширения) и в то же время служат средством гидроизоляции швов.
Примером обделки с шарнирными стыками может служить так называемая унифицированная обделка для перегонных тоннелей.
Конструкция такой обделки (рис. 249) внешним диаметром 5,5 м и шириной колец 100 см в поперечном сечении состоит из семи блоков двух типов: шести нормальных и одного лоткового, образующего плоское основание шириной 219 см для двух узкоколейных путей. В замковой части помещается вкладыш. Стыкам придана цилиндрическая форма, причем разные торцы каждого блока имеют выпуклую и вогнутую поверхность. Продольные стыки в смежных кольцах укладываются без перевязки.
Все это приближает расчетную схему обделки к действительным условиям ее работы, т. е. наилучшим способом использует упругий отпор, что приводит к существенному уменьшению изгибающих моментов и повышению трещино-чстойчивости до 40 тс/м2 (трещиноустойчивость обделки из прямоугольных блоков с плоскими стыками 16 тс/м2).
Указанные положительные качества унифицированной обделки могут быть достигнуты точным изготовлением отдельных блоков и монтажом обделки при строгом соблюдении геометрически правильной кольцевой формы до периода обжатия нагнетенным раствором и при непременном условии обеспечения упругого отпора породы.
Для взаимной фиксации отдельных элементов в каждом продольном стыке предусмотрено по два штыря.
С целью поддержания замкнутых колец в проектном положении могут быть применены балки длиной 6—7 м, поочередно продвигаемые к забою по мере монтажа каждого кольца обделки.
§ 75. ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ОБЖИМАЕМЫЕ СБОРНЫЕ ОБДЕЛКИ
Общие сведения. Предварительно обжимаемые сборные обделки первоначально применялись при строительстве напорных гидротехнических тоннелей. Их главное назначение сводилось к повышению работоспособности обделки на внутреннее давление воды, так как при достаточном предварительном напряжении в обделке не происходит раскрытия стыков и образования трещин, благодаря чему достигается водонепроницаемость обделки.
Предварительное напряжение сборных обделок транспортных тоннелей имеет цель создать обделки рациональной конструкции.
К числу положительных факторов предварительного напряжения могут быть отнесены: принудительное закрытие начальных зазоров в продольных стыках; уплотнение гидроизоляции в продольных стыках благодаря ее защемлению между торцами элементов обделки; геометрическая неизменяемость обделки в монтажный период; предохранение обделки от трещин растяжения; снижение расхода бетона и арматурной стали.
Обжатие нагнетаемым за обделку раствором. Сущность этого способа заключается в применении наружной бетонной облицовки и внутренней сборной железобетонной обделки. Назначение первой — выровнять и уплотнять поверхность выработки с целью создания полости правильной цилиндрической формы. Внутренняя сборная железобетонная обделка несколько меньшего диаметра имеет наружные ребра 6 и шипы 4, опирающиеся на монолитную обделку / (рис. 250). Высота ребер и шипов обеспечивает зазор 2 между наружной и внутренней обделками (3 см). Через отверстия 5 в блоках 3 в этот кольцевой зазор нагнетается цементный раствор под давлением до 13 кгс/см2.
Сжимающие напряжения о (кгс/см2), возникающие вследствие обжатия обделки, могут быть определены из выражения
a = q —, (179)
h
где q — давление нагнетаемого раствора, кгс/см2;
R — наружный радиус обделки, см;
h — толщина обделки, см.
Произведенные испытания доказали принципиальную возможность прн-
D'ic. 250. Сборная обделка, обжима-емая раствором
менения этого метода предварительного напряжения обделки и выявили его некоторые недостатки. К ним относится необходимость наружной бетонной облицовки и вероятность уменьшения давления раствора на обделку вследствие его утечки и усадки в период твердения. Величина утечки может быть различной, что приводит к неравномерному давлению по контуру обделки. Местами утечки раствора могут быть зазоры между блоками, трещины в монолитной обделке, кольцевой зазор.
Рис 251. Сборная предварительно напряжения-; обделка
На потерю степени предварительного обжатия обделки влияет усадка раствора, ползучесть бетона наружной обделки и породы. Очевидно, что в каждом конкретном случае эффект от влияния указанных факторов различен и требует экспериментальной проверки.
К достоинствам метода предварительного напряжения обделки следует отнести отсутствие дополнительных затрат металла.
Обжатие при помощи стальных обручей, домкратов и муфт. Другой способ предварительного напряжения обделки основан на применении стальных обручей и домкратов. В этом случае обделку (рис. 251, а) формируют из прямоугольных блоков 1, по наружной поверхности которых помещают стальной обруч 2. Гидравлические домкраты 4 для натяжения обручей располагают на уровне горизонтального диаметра в окнах между блоками каждого кольца. Такая обделка может быть применена при щитовой проходке, так как ее монтаж может быть выполнен внутри оболочки щита.
Последовательность монтажа обделки: укладка блоков внутри обруча, предварительно закрепленного под оболочкой щита, с одновременной установкой двух гидравлических домкратов (Р — 30 4- 50 тс), натяжение обручей с последующей передачей давления на вкладыши 3 и удалением домкратов с омоноличиванием гнезд.
Натяжение бандажей можно создать стягиванием блоков к центру кольца при помощи стяжных муфт 6 (рис. 251, б). Бандаж 5 представляет собой пучок арматуры из высокопрочной проволоки с анкером на конце. Бандажи могут быть натянуты двумя способами: только муфтами 6 или муфтами (предварительное натяжение) и гидравлическими домкратами (окончательное натяжение). Окна между блоками должны быть усилены стальными рамками 7. Такой способ может быть принят при проходке без щита.
При щитовой проходке для предварительного напряжения обделки рационально использовать щитовые домкраты. Такой способ может быть применен к обделке с наружными обручами из высокопрочной проволоки, напрягаемой при помощи вдавливания одного или нескольких клиновидных блоков.
В качестве примера приведена (рис. 252) конструкция обделки, состоящая из трех клиновидных 3 и шести однотипных 2 блоков шириной 100 см, имеющих с одной стороны плоский торец, а с другой — вогнутый и скошенный в соответствии с уклоном продольного торца смежных клиновидных блоков.
Рис. 252. Сборная обдел ка с наружными обручами, обжимаемая при помощи вдавливания клиновидных блоков
Обручи из высокопрочной проволоки 1 диаметром 5 мм прочностью 7?р = 17 000 кгс/см2 состоят из 25 витков, размещаемых по внешней поверхности блоков в канавках-пазах.
После монтажа блоков внутри обручей, предварительно закрепленных на подвесках 5 в оболочке 4 щита, вдавливают клиновидные блоки домкратами щита при его передвижении и тем самым напрягают наружные обручи.
Приведенные конструктивные и производственные решения предварительного обжатия сборных обделок следует рассматривать лишь как первое приближение к решению поставленной задачи.
Обжатие породой. В последнее время конструктивные решения предварительно напряженных обделок получили свое развитие и совершенствование при отказе от внешних обручей и замене их действия равномерным отпором со стороны породы.
При монтаже обделки ее плотно прижимают тем или иным способом к контуру выработки таким образом, чтобы за обделкой не оставалось пустот. При этом в обделке возникают сжимающие усилия, обеспечивающие рациональную работу материала обделки (на сжатие); величину и распределение контактных давлений можно регулировать искусственно.
Обжатие обделки в породу стабилизирует равновесие горного массива, предупреждает осадки поверхности земли и исключает необходимость первичного нагнетания раствора, а также упрощает процесс монтажа обделки и снижает в 3—4 раза количество арматуры, что следует отнести к числу важных преимуществ обжимаемых в породу обделок.
Применение обжимаемых в породу сборных обделок рационально в таких породах, в которых может быть создан гладкий контур выработки, что возможно лишь при проходке механизированными щитами или методом вдавливания. Этим условиям вполне удовлетворяют глины и слабые скальные породы, допускающие оставление незакрепленной выработки в течение обжатия кольца обделки за пределами оболочки щита, при необходимости и в период монтажа. Для проходки в песках необходимо специальное оборудование, характеристики которого приведены ниже.
Конструкции обжатых обделок могут быть бетонными, железобетонными и чугунными с шарнирными соединениями в продольных стыках. Продольные стыки (рис. 253) выполняют цилиндрическими выпукло-вогнутыми (а) и двояковыпуклыми (б), а поперечные — плоскими с уступами (а) или двояковыпуклыми (г), также могут иметь напряжение продольные стыки чугунной обделки (д). После обжатия кольца гидравлическими домкратами в образовавшиеся зазоры вставляют шарнирные чугунные вкладыши и клинья.
Рис. 253. Конструкции стыков:
а —стык продольный выпукло-вогнутый: б— то же, двояковыпуклый; в — стык поперечный плоский с уступами; г — то же, двояковыпуклый без уступа; д — стык чугунной обделки; / — ниша для домкрата; 2 —шарнирный чугунный вкладыш; 3 — чугунный клин
Наружный диаметр обделки принимают равным или несколько большим диаметра выработки. Напряжение обделки и обжатие породы обеспечиваются вследствие разности длин :<онтуров обделки и выработки (рис. 254).
Теоретически можно определить разность радиусов Д/? наружного контура обделки и выработки по формуле
= + -А_ + ^_ (180)
L £ £0 Л 2л J
где .Vu — среднее значение нормальной силы в обделке от предварительного напряжения, отнесенной к единице длины тоннеля;
р — коэффициент Пуассона для породы;
R — наружный радиус обделки;
Рис. 254. Сборная обделка, обжимаемая породой при вдавливании клиновидных блоков:
/ — контур выработки; 2 - смежным блок; 3 - • K.,ijiiioBHAiu.:;i блик
п — число стыков в кольце;
А — линейная деформация стыков блоков от действия единичной нормальной силы;
Е — модуль упругости породы;
Ео — модуль упругости бетона блоков;
h — толщина блоков;
Uo — деформация от обмятня неровностей поверхности выработки.
Первичный член этой формулы представляет собой радиальные перемещения по контуру выработки, вызванные деформациями породы, т. е.
U 2J11L ,у
п е
Второй член представляет собой изменение радиуса обделки от осевого сжатия блоков, т. е.
Третий член представляет собой деформацию радиуса обделки, вызванную линейными деформациями стыков при обжатии обделки, т. е.
t/c = —АЛ7и.
с 2л “
Деформации стыков при обжатии риментально и теоретически.
На основе зависимости для определения ширины площади контакта а <рис. 255), через которую передается сжимающая сила ;V от одного торца блока к другому, для выпукло-вогнутого стыка получена формула
jMjT
где А' — сжимающая сила;
и /?.д — радиусы кривизны торцов смежных блоков;
Е — модуль упругости материала блоков;
и — коэффициент Пуассона.
обделок могут быть определены экспе-
Рис. 255. Расчетная схема стыка обжатый обделки
Напряжение о = — на участке а принято равномерным; под его влиянием в блоках образуются зоны повышенных напряжений Zo. Требуется определить их деформации. В зонах Zo сила W распространяется под углом рассеивания напряжений а^, приблизительно равным 50%. Полная деформация стыка блоков одинаковой толщины может быть определена по следующей зависимости:
1 Лст
N
2Е tg ар
(182)
где ZCT — линейная сжимаемая деформация стыка;
h — толщина блоков;
tgap- 1,1 4- 1,3.
Расчетная величина обжатия должна быть обеспечена в сечениях блоков с максимальными изгибающими моментами. С учетом выводов, сделанных выше, необходимо принимать нормальную силу обжатия из расчета, чтобы эпюра напряжений в любом сечении обделки была однозначной (сжатие).
Обжатие сборной обделки в породу может быть создано гидравлическими домкратами (рис. 256), устанавливаемыми на уровне горизонтального диаметра в специальных окнах-пазах между блоками (см. рис. 256, б). В этом случае по окончании обжатия в зазор между торцами блоков вставляют железобетонный вкладыш требуемой формы или металлический клин; зазор можно заполнить жесткой бетонной массой, после твердения которой и набора расчетной прочности домкрат убирают, а пазы бетонируют.
Недостаток этого способа — сложность конфигурации блоков, ослабление блоков окнами-пазами и необходимость их омоноличивания. Кроме того, происходит потеря напряжений при передаче давления с домкратов на вкладыши.
Для устранения этих недостатков можно применять распорное устройство рычажного типа (рис. 256, в), устанавливаемые за контуром обделки. Фиксацию блоков в раздвинутом положении осуществляют широкими клиньями или винтами, вмонтированными в торце блоков сплошного или ребристого сечения.
Наиболее целесообразно обжимать сборную обделку в породу при помощи вдавливания щитовыми домкратами клиновидных блоков. Величина вдавливания / = где т — число клиновидных блоков; i — уклон граней клиновидных блоков.
Монтаж такой обделки в устойчивых породах осуществляют при механизированной щитовой проходке в строго очерченном контуре выработки. Оболочку щита принимают укороченной. Блоки нижней половины кольца обделки укладывают непосредственно на породу, а верхние — на поддерживающие балки.
Клиновидные блоки занимают вначале смещенное в сторону щита положение, затем при их опрессовке щитовыми домкратами эти блоки полностью
Рис. 256. Расположение в обделке устройств для обжатия в породу:
а — общий вид кольца обделки: б — способ применения гидравлических домкратов; в — способ применения рычажных устройств; / - железобетонный вкладыш; 2 — гидравлический домкрат; 3 — широкий клип; 4 — распорные лапы; 5 —
болт со сферическими шайбами; 6 — динамометр
входят в пределы кольца» расклинивая обделку. В результате благодаря центрированию усилий в стыках блоков возникает контакт с породой по всей поверхности обделки и ее равномерное обжатие.
Для некоторой корректировки длины окружности сооружаемой обделки и, следовательно, передаваемого ей напряжения длина клиновид-
них блоков должна быть несколько меньше ширины кольца обделки (рис. 257). Благодаря такому конструктивному решению можно получать требуемое напряжение регулированием величины вдавливания клиновидных блоков. Контроль за фактическим напряжением можно осуществить по показаниям манометров на щитовых домкратах.
Наиболее благоприятной средой для такой обделки следует признать глину, обладающую значи-
Рпс. 257. Схема расположения укороченных клиновидных блоков:
1 — укороченные клиновидные блоки; 2 — омонолнчп-насмые окна
тельной податливостью, так как в условиях податливой среды отклонения в длине окружности влияют на напряжение обделки в наименьшей степени.
При обжатии этим способом возникают значительные силы трения между обделкой и породой, а следовательно, неравномерность напряжения обделки.
Чтобы уменьшить силы трения, блоки могут быть покрыты с внешней стороны п по боковым граням смазочными вязкими материалами.
Рассмотренные конструктивные решения сборных обделок из железобе-
тонных элементов могут быть в ряде случаев видоизменены и приспособлены
к местным условиям.
§76. ВОДОНЕПРОНИЦАЕМОСТЬ ОБДЕЛОК ИЗ СБОРНОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОНА
Водонепроницаемость обделок из сборного железобетона, которая является столь же важным фактором, как их прочность и геометрическая неизменяемость, может быть обеспечена при условии водонепроницаемости всех составных элементов, стыков и разного рода вспомогательных отверстий и закладных частей. Водонепроницаемость самих железобетонных элементов достигается при их высокой трещиноустойчивости в период изготовления и эксплуатации в составе обделки.
Для придания элементам железобетонной обделки свойств водонепроницаемости могут быть приняты следующие меры: обеспечение плотности бетона путем соответствующего подбора его состава и технологии изготовления; использование специальных добавок, вводимых в состав бетона; применение автоклавной обработки железобетонных элементов при их изготовлении; уплотнение поверхностных слоев бетона; пропитывание бетона с целью заполнения пор маловязкими, но быстро твердеющими веществами; гидроизоляционные покрытия и экраны.
Первая мера эффективна. При ее реализации обычно пользуются жесткими бетонными смесями с водо-цементным отношением 0,28—0,30, что способствует уменьшению пористости и усадки бетона.
Применение быстросхватывающихся цементов высоких марок (400— 500), оптимальной круппости заполнителей (до 60 мм) в сочетании с низким водо-цементным отношением обеспечивает интенсивное нарастание прочности при экономном расходовании цемента (350 кг. м3) и песка (500 кг/м3). Важным показателем является достигаемое при этом повышенное сопротивление бетона растяжению, что способствует трещиноустойчивости. Имеются и отрицательные стороны технологии процесса, основанного на применении жестких бетонных смесей. При уплотнении последних на высокочастотных вибро-площадках тяжелого типа происходит отслаивание бетона от арматуры и стальных закладных частей, что приводит к образованию путей фильтрации воды. Чтобы предотвратить это явление, необходимо регулировать режим и продолжительность вибрирования, а также величину пригрузки.
Другое направление в технологическом процессе изготовления водонепроницаемых железобетонных элементов сборной обделки — применение пластичных бетонных смесей, не требующих вибрирования.
Следует отметить влияние на водонепроницаемость таких дополнительных факторов, как направление слоев бетона в процессе укладки, сроки и способы извлечения изделий из форм, режим твердения элементов.
Установлено, что наибольшая водонепроницаемость элементов достигается при расположении слоев бетона перпендикулярно направлению фильтрации воды, снятии форм без каких-либо поворотов и после достижения бетоном требуемой прочности, обеспечении проектного термовлажностного режима твердения.
При условии выполнения всех указанных технологических требований в состав бетона могут быть введены в ограниченном количестве специальные добавки (ускорители твердения, пластификаторы). Излишнее количество добавок может привести к таким отрицательным явлениям, как снижение прочности бетона и сохранности арматуры.
Применение автоклавной обработки приводит к улучшению основных показателей элементов обделки, но требует создания специального громоздкого оборудования.
Так как железобетонные блоки тоннельной обделки не обладают в условиях водоносных пород необходимой водонепроницаемостью вследствие наличия микротрещин (0,2—0,4 мм), то применяют различного рода гидроизоляционные покрытия.
К ним относятся высокопрочные и адгезионные материалы на основе эпоксидно-фурановых смол, коллоидных клеев и т. д. Эти материалы, однако, не обладают достаточными деформативными свойствами, и покрытия из них не сохраняют свою сплошность. За рубежом (ГДР, США, Англия) в качестве гидроизоляционного материала применяют полисульфидный каучук холодной вулканизации — так называемый тиофлекс и тиокол, получивший в последнее время применение в Советском Союзе.
Тиокол всех марок обладает высокой прочностью при растяжении (15— 35 кгс/см2) и очень большой эластичностью (удлинение при растяжении 150— 250%).
Быстрое отверждение и наиболее высокая прочность эластичных пленок могут быть достигнуты при применении вулканизирующей пасты, содержащей бихромат натрия.
Исследованиями установлено, что наиболее приемлемы для гидроизоляции блоков тоннельной обделки отечественные герметики УМС-7 и ПЛ.
Пропитывание бетона специальными вещества м и, не растворимыми в воде, кислотостойкими и постоянными по объему, механически прочными, маловязкими, но быстротвердеющими относится к числу применяемых мероприятий, повышающих водонепроницаемость обделок. В качестве вещества заполнителя может быть применен полистирол. Основным недостатком такого способа является необходимость предварительного высушивания и нагревания изделия с целью некоторого раскрытия пор и удаления нз них свободной воды. Кроме того, сам полистирол при твердении не обеспечивает абсолютного заполнения пор, так как его коэффициент термического расширения в несколько (5—6) раз больше, чем бетона.
Водонепроницаемость стыков между блоками достигается покрытием соприкасающихся поверхностей блоков специальными мастиками, приготовленными на основе эпоксидных смол с отвердителями (компаунды), и др.
Новый материал — клей на той же основе — обеспечивает при соединении двух граней блоков прочную связь и не требует дополнительных мер по гидроизоляции.
Уплотнение и изоляция вспомогательных отверстий в блоках осуществляются завинчиванием пробок в закладные трубки, а также применением цементной замазки (БУС). Болтовые отверстия в железобетонных тюбингах изолируют при помощи сферических шайб с асбестобитумным или пластмассовым уплотнением.
Необходимо отметить, что стыки все же остаются наиболее слабым местом обделки в отношении водонепроницаемости. Кроме того, следует прн-270
••енять дополнительные меры против скольжения блока по блоку под действием попе-:-.-чных сил вследствие малого угла внутреннего трения пластичной мастики.
В качестве надежного средства гидроизоляции железобетонных блоков и обделки в селом разработано новое техническое решение. Оно заключается в том, что в теле блока на расстоянии около 0,25/г от внутренней поверхности на всей его площади прокладывают сплошной стальной лист-экран 1 толщиной 2 мм (рис. 258).
Во избежание расслоения конструкции к
.'.нету нормально к его поверхности соосно
приваривают с обеих сторон арматурные стержни 2, входящие в состав общего арматурного каркаса, что придаст всему блоку монолитность. Стальной экран полностью изолирует блок от проникновения напорной воды независимо от качества бетонного камня. Продольные и поперечные стыки ''.токов снабжены канавками трапецеидального уступчатого сечения, доходящими по глубине до стального листа и зачекапиваемыми быстроуплотняющей-<я цементной смесью (БУС).
Для изготовления водонепроницаемых элементов сборных обделок перфективны новые материалы — полимербетон и сталеполимербетон.
Полимербетон — органоминеральный бесцементный и безводный бетон. В качестве связующего применен фурфуролацетоновый мономер ФА, получаемый по специальной технологии (институт МХТИ и НИИ пластмасс).
Этот новый строительный материал состоит из минерального заполнителя ।кварцевый песок, щебень, керамзит), синтетического связующего (фурфу-толацетоновый мономер ФА) и отвердителя (бензосульфокислота). В зависимости от конкретных условий изготовления (температуры, влажности, срока схватывания) и эксплуатационных требований (механическая прочность, водонепроницаемость, химическая стойкость) могут быть подобраны составы полимербетонов исходя из оптимальных соотношений заполнителя, вяжущего
и отвердителя.
Полимербетопную смесь приготовляют в мешалках принудительного действия при определенной последовательности ввода компонентов — заполнителя, фурфурола, мономера ФА, бензосульфокислоты — при t 50 4- 60е С.
После введения каждого компонента смесь тщательно перемешивают. Готовую смесь укладывают в формы и уплотняют; распалубливают после полимеризации через сутки при температуре окружающего воздуха 15—25° С.
Полимербетон на основе мономера ФА обладает более высокими физикомеханическими показателями, чем клинкерный бетон.
Полимербетон хорошо сопротивляется износу и обладает высокими диэлектрическими свойствами; перспективен для изготовления элементов сборных обделок и для гидроизоляции.
Глава 19
РАСЧЕТ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК КРУГОВОГО ОЧЕРТАНИЯ
§ 77. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК
Основные положения об определении нагрузок на тоннельные обделки были изложены в § 34.
В случае обделок кругового очертания, часто расположенных на небольшой глубине, к основным сочетаниям нагрузок следует относить дополнительно давление от вышерасположенных зданий и наземного транспорта (см. § 124), а также, если тоннель проходит через толщу неустойчивых водоносных пород, вес подвижного состава, под действием которого обделка работает в продольном направлении как балка кольцевого сечения на упругом основании.
Горное давление. Нагрузку от горного давления определяют в соответствии с указаниями СНиП Н-Д.3-68. При этом возможны следующие характерные случаи.
I случай. Тоннель наружным диаметром 5,5—6 м, низ которого расположен на глубине 45—50 м от поверхности земли (рис. 259).
А. В однородных породах, толщина которых над тоннелем z > D, нормативную вертикальную нагрузку от горного давления определяют по табл. 23.
При заложении, тоннеля в глинистых грунтах на глубине Я>45м на-грузку умножают на коэффициент а при наличии притока в выработку подземных вод — дополнительно на коэффициент 1,3.
Таблица 23
Нормативные вертикальные нагрузки q'1 на обделки тоннелей диаметром 5,5—6 м от горного давления (СНиП 111-Д.З-68)
Наименование пород в кровле и еечеини выработки </", тс/м! Коэффициент перегрузки "9
Скальные породы: А. Известняк, доломит, мергель н песчаник средней крепости, аргиллит, алевролиты крепкие (с предельным сопротивлением сжатию в водонасыщенном состоянии 250—400 кгс/см2): слабо трещиноватые 4 1,7
трещиноватые 6 1,7
сильно трещиноватые 9 1,6
Б. Аргиллит и алевролит средней крепости, мергель глинистый, известняк, доломит и песчаник слабые (с предельным сопротивлением сжатию в водонасьпценном состоянии 80— 250 кгс, см2): слабо трещиноватые 6 1,7
трещиноватые 8 1,7
сильно трещиноватые 10 1,6
раздробленные 12 1,6
Глинистые грунты (твердой и полутвердой консистенции): верхнекаменноугольные мергелистые 13 1,5
нижпекембрийские. верхнекаменноугольные 16 1,5
спондиловые ... 20 1,6
апшеронские 23 1,5
юрские 26 1,5
Пески плотные, маловлажпые 15 1,3
Б. Если z<D, а выше залегает более слабая порода (р“ > qo), > (183)
где qo и q" — табличные значения нормативных нагрузок соответственно для породы, в которой залегает тоннель, и для вышерасположенной более слабой породы.
При q" < qo принимают q" — q'o-
В глинах учитывают дополнительно вышеупомянутые коэффициенты -^- и 1,3.
В обоих случаях нормативную горизонтальную нагрузку от горного давления определяют по формуле рн tg2 / 450 \ (184)
\ 2 ) Рис. 259. Горное давление на
„ тоннель диаметром 5,5—6 м
где (рн — нормативное значение угла внутреннего трения.
Расчетные равномерно распределенные нагрузки на обделку равны:
q = nqq"\ 1 р = 0,8рн, J
(185)
где nq— коэффициент перегрузки (см. табл. 24).
II случай. Верх тоннеля наружным диаметром D > 6 м расположен в однородной породе на глубине Н ниже поверхности земли или низа пласта слабых пород (рис. 260), обеспечивающей образование несущего свода (Н > 2/iJ.
Высота свода давления согласно формуле (10) равна /г, = где ширина нарушенной зоны
В = пГ1 + 2tg(45°—
\ 2
(186)
В этом случае
<7Н = А-
(187)
Боковое горное давление определяют на уровне горизонтального диаметра обделки:
(188)
Расчетные равномерно распределенные нагрузки на обделку равны:
’ = b5’": I (189) р = 0,8рн. /
111 случай. При неглубоком заложении и невозможности сводообра-:-свания (Н < 2/ij) нормативную вертикальную нагрузку от горного дав-
Рнс. 260. Горное давление с учетом сводообразования
ления определяют от полного веса пород, лежащих над тоннелем (рис. 261): дн = 2угЛг + дш, (190)
— давление воды на верхнюю поверхность водоупорного пласта, отделяющего выработку от вышерасположенного водоема или слоя водонасыщенных пород (рис. 261, а).
Если водоупор над тоннелем отсутствует (рис. 261, б), то
?» = SVt/i£. (191)
Объемный вес пород с открытыми порами (например, песка) с учетом взвешивания в воде определяют по формуле (44) или по формуле вида
Vb.ib Теух
1__
1+8 ’
(192)
где усух — объемный вес сухой породы;
е — коэффициент пористости породы.
Для пород с замкнутыми порами (например, трещиноватая скала)
ТвЗВ ТсуХ 1- (193)
При неглубоком заложении тоннеля нормативное горизонтальное давление существенно изменяется по высоте обделки.
В сечении, расположенном на расстоянии у от верха обделки,
Р" = (Q" + W) 1g2 ( 45°—
(194)
Расчетные распределенные нагрузки на обделку:
q = 1,1<?н;
р = 0,8рп.
(195)
Собственный вес обделки. Если собственный вес обделки, взятый с коэффициентом перегрузки 1,1, не превосходит 5% расчетного вертикального горного давления, им можно обоснованно пренебречь.
В противном случае вес верхней половины кольца распределяется равномерно по горизонтальной проекции обделки и прибавляется к расчетному
О.) Уровень воды
Дно водоема
К
6)
~I Поверхность земли.
Горизонт грунтовых вод
Рис. 261. Горное давление от полного веса столба вышележащих пород
вертикальному давлению
М=1,1-^., (196)
где D — наружный диаметр обделки.
В случае обделок из чугунных тюбингов собственный вес учитывают в монтажной стадии как нагрузку, распределенную по контуру кольца (см. § 78).
Гидростатическое давление. Интенсивность гидростатического давления, действующего на герметизированный тоннель, определяется положением точек его контура относительно уровня воды. Таким
Рис. 262. Гидростатическое давление па тоннель кругового очертания
уровнем может быть зеркало водоема или свободный горизонт грунтовых зод, а при расположении тоннеля ниже водоупора — пьезометрический уровень напорных вод.
Эпюру гидростатического давления (рис. 262) можно представить в виде двух радиальных составляющих — равномерно распределенной по контуру с нормативной интенсивностью hw (тс/м2) и серповидной с нормативной ин
тенсивностью, изменяющейся от нуля до 2 г (тс/м2) в нижнем сечении обделки.
Первую составляющую, вызывающую в обделке равномерное обжатие нормальной силой N = rhu, (г — наружный радиус обделки), обычно называют «давление воды выше шелыги свода», вторую — «давление воды ниже шелыги свода».
Для определения расчетной нагрузки вводят коэффициент перегрузки 0.9 (или 1,1), большее значение которого принимают, если гидростатическое давление ухудшает напряженное состояние обделки. Как правило, оно улучшает работу обделки кругового очертания, так как уменьшает вертикальное торное давление за счет взвешивания в воде и уменьшения веса расположенного над тоннелем водоупорного пласта направленным вверх давлением напорных вод; создает обжатие обделки довольно значительной нормальной силой при менее существенном увеличении изгибающих моментов, т. е. способствует вписыванию кривой давления в тело обделки.
Поэтому гидростатическое давление следует учитывать с большой осторожностью, тем более что постройка вблизи тоннеля других подземных сооружений может вызвать понижение уровня грунтовых и в особенности напорных подземных вод.
Железобетонные обделки рекомендуется рассчитывать только на собственный вес и горное давление без учета взвешивающего действия воды. При этом уменьшением веса водоупорного пласта за счет направленного вверх давления напорных вод также можно пренебречь в запас прочности конструкции.
§ 78. СТАДИИ РАБОТЫ ТОННЕЛЬНОЙ ОБДЕЛКИ
Прочность тоннельной обделки должна быть обеспечена в наиболее неблагоприятных условиях. Поэтому в случае необходимости ее расчет производят не только в окончательной (рабочей) стадии на действие собственного веса, горного и гидростатического давления, но и в стадии монтажа, когда она подвергается действию лишь собственного веса и веса опирающегося на нее оборудования (в первую очередь тележки укладчика).
Вес укладчиков современных конструкций передается обычно на лоток обделки и через него непосредственно на породу, не вызывая в обделке существенных усилий. Поэтому в монтажной стадии учитывают, как правило, лишь собственный вес обделки. Если опорные точки тележки укладчика расположены на повышенном уровне, необходимо учитывать нагрузку от ее веса, распределяющуюся на несколько колец обделки. В этом случае может потребоваться постановка монтажных стяжек диаметром 45—50 мм со стяжными муфтами для ограничения деформаций обделки (рис. 263, а).
Наиболее эффективны стяжки на уровне горизонтального диаметра обделки, однако наличие тележки укладчика, занимающей среднюю часть сечения тоннеля, вынуждает прибегать к постановке верхних стяжек на уровне,
соответствующем центральному углу 60—70°. При всех условиях следует стремиться, чтобы дополнительная нагрузка отвеса оборудования не вызывала утяжеления конструкции обделки. Поэтому необходимо скорейшее нагнетание за обделку гравия или цементно-песчаного раство-
ние
ра для заполнения имею-
Рис. 263. Расчетная схема ибделкп в монтажной стадии щегося за ней зазора Целесообразно размеще-укладчика на щите, облегчающее работу обделки в монтажной стадии Железобетонные обделки, как правило, не имеют связей растяжения и
под действием собственного веса изменяют очертание. Они опираются в нижней части на контур выработки через подкладки и клинья, а выше горизонтального диаметра поддерживаются выдвижными балками тележки укладчика. Поэтому их вес прибавляют к вертикальной нагрузке от горного давления, на которую производят расчет сразу в рабочей стадии.
Чугунную тюбинговую обделку собирают на оболочке щита или непосредственно на контуре выработки; вследствие наличия в продольных стыках болтовых связей она работает под действием собственного веса как свободное упругое кольцо, опирающееся на основание по дуге круга (рис. 263, б). Центральный угол 2а дуги опирания принимают соответствующим нижнему тюбингу, уложенному симметрично относительно оси обделки.
Усилия в сечениях кольца от собственного веса определяют по формулам:
при 0< 0<л — а ------------------------
Me — А [а — 0 sin 0 sin а—cos 0 (1,5 sin а — а cos а)];
л
Ne = — (0 sin 0 sina 4-cos 0(0,5 sin a—a cos a)]; r
при 0 = л
УИ0 = A [1,5 sin а— (л — a) (I -cos a)];
Ne = — [n—0,5 sin a — (л — a) cos a)], r
л Gr
где A =-----------;
2л sin a
(198»
G — вес 1 пог. м обделки тоннеля, тс;
г — расчетный радиус обделки, м.
Нагнетание за обделку фиксирует напряженное состояние конструкции от собственного веса и включает в работу нагрузки от горного, а после герметизации — и от гидростатического давления. Поэтому усилия в сечениях обделки в рабочей стадии суммируют с усилиями от собственного веса в монтажной стадии. Обделка должна иметь прочность, достаточную для восприятия суммарных усилий.
В рабочей стадии расчетная схема обделки определяется конструкцией стыков между элементами кольца. При наличии связей, препятствующих раскрытию стыков, обделку можно рассматривать как упругое кольцо с осью, сохраняющей после деформации плавное очертание. К таким обделкам, кроме обделок из чугунных тюбингов с двумя рядами болтов в продольных стыках, относится также монолитная обделка из прессованного бетона.
При отсутствии между элементами кольца связей, препятствующих раскрытию стыков, в них образуются переломы оси, что характерно для сборных 276
железобетонных обделок. Такая обделка представляет собой многошарнирную конструкцию, условием геометрической неизменяемости которой является <е совместная работа с окружающей породой. В расчетном отношении обделку рассматривают как шарнирно-стержневую цепь на упругом основании.
В дальнейшем связи, препятствующие раскрытию стыков обделки, названы связями растяжения.
§ 79. ОБДЕЛКИ СО СВЯЗЯМИ РАСТЯЖЕНИЯ В СТЫКАХ
Расчет обделки как свободно деформирующегося кольца. В слабых водонасыщенных грунтах (илы, плывуны, супеси), не способных оказать существенного сопротивления деформациям применяемой в этих случаях тюбинговой обделки, обделку можно рассчитывать как кольцо, свободно деформирующееся под действием внешних нагрузок и реакций грунта, их уравновешивающих (рис. 264).
В запас прочности конструкции учитывают лишь вертикальные составляющие реакций грунта /г, равномерно распределенные по горизонтальной проекции обделки:
= О")
В действительности при деформации обделки неизбежно возникновение пассивного сопротивления грунта, ограничивающего свободу горизонтальных деформаций обделки и уменьшающего изгибающие моменты в ее сечениях.
В качестве расчетной схемы обделки принято кольцо постоянной жесткости, заделанное в нижней точке. Так как внешние воздействия на кольцо уравновешены, суммарное усилие в фиктивной заделке равно нулю.
Изгибающие моменты и нормальные силы в сечениях кольца, расположенных под углом 0 к его оси, находят суммированием соответствующих усилий от внешних нагрузок и вертикальных реакций грунта, которые могут быть определены по формулам табл. 24.
Собственный вес обделки учитывают в монтажной стадии при более неблагоприятных условиях опирания, поэтому в рабочей стадии его учитывать
не следует.
Расчет обделки как кольца в упругой среде. В породах, способных создать
отпор, ограничивающий деформации обделки, она работает как кольцо в упругой среде. Отпор возникает лишь на части контура, где обделка вдавливается
в породу. Верхняя часть обделки, деформируясь, смещается внутрь выработки
и работает как свод, упруго защемленный в нижнюю часть (рис. 265, а).
Такого рода конструкции рассчитывают обычно с заменой сплошной упругой среды отдельными опорами с эквивалентными упругими свойствами (рис. 265, б). Основные допущения, положенные в основу выбора расчетной схемы, изложены в § 39.
Ниже приведены особенности расчета, характерные для обделок кругового очертания. Расчетная схема (рис. 266, а) представляет собой правильный вписанный многоугольник на радиально направленных упругих опорах. Силы трения между обделкой и породой улучшают напряженное состояние обделки, поэтому пренебрежение ими идет в запас прочности конструкции. Достаточная для практических
Рис. 264. Расчетная схема обделки как свободно деформирующегося кольца
целей точность расчета обеспечивается при замене окружности шестнадцатиугольником (Ф = 22°30').
Рис. 265. Обделка-кольцо в упругой среде
Число упругих опор зависит от соотношений жесткостей обделки и основания, а также горизонтальной и вертикальной нагрузок ( е= —
\ Я '
В случае тюбинговых обделок число упругих опор может быть принято равным тринадцати при е = 0 -г 0,2 (2<р0 = 67°30') и одиннадцати при е = 0,3 4-4- 0,5 (2ф0 = 112°30')-
Все опоры имеют одинаковые характеристики жестко-
<р
сти D = kab (а = 2r sin у —
длина стороны многоугольника; Ь — расчетная ширина кольца обделкн, обычно принимаемая равной 1 м). Так как расчет, как правило, производят на симметричные нагрузки, целесообразно опору в ииж-D нен точке кольца представить в биде двух стержнен с характеристиками жесткости .
В качестве основной системы принята трехшарнирная арка, опирающаяся на шарнирно-стержневую цепь на упругих опорах, а в качестве неизвестных — парные изгибающие моменты в симметричных шарнирах (рис. 266, б).
Нижняя половина кольца подвергается действию радиального отпора породы, распределение которого обычно близко к равномерному. Кроме того, ее часто устраивают из облегченных тюбингов, имеющих значительно меньшую жесткость, чем тюбинги верхней половины кольца, и, следовательно, воспринимающих меньшие изгибающие моменты. Поэтому изгибающие моменты в сечениях ниже горизонтального диаметра невелики и их влиянием на напряженное состояние верхнего свода можно пренебречь, что значительно упрощает расчет.
В дальнейшем расчетная схема, в которой принято, что М4 — = Мв =
= = 0 (рис. 267), названа упрощенной. В этом случае определению под-
лежат четыре или три неизвестных соответственно для многоугольника на тринадцати и одиннадцати опорах.
Формулы для расчета обделки как свободно деформирующегося кольца
Таблица 24.
Характер нагрузки Пределы применимости формул Формулы для определения усилил в произвольном сечении обделки
м N
Вертикальное давление грунта q Давление воды h Г ориэонтальиое давление грунта: Pi Рг Вертикальная реакция грунта k Я 0<9<т л — < 9 < л 2 0 < 9 < л 0 с 9 л 0< 9' л л 0<9<Т 9 : л qr2 (0,1934- 0,106cos 9—0,5 sin20) qr2 (0,693 -|-0,106 cos 9—sin 9) — r3 (0,5—0,25 cos 9 — 0,5 0 sin 9) Pir1 (0,25—0,5 cos2 0) p2r2(0,25 sin204- 0,083 cos3 9— — 0,063 cos 0 — 0,125) Ar2 (0,057—0,106 cos 0) kr2(—0,443 4-sin 0—0,106cos0 — —0,5 sin10) qr (sin20 — 0,106 cos 0) <?r(sin 0 — 0,106 cos0> r2 (1—0,25 cos 0— — 0,5 0 sin 0)4- hr ргг cos2 0 p2r cos 0(0,063 4-4-0,5 cos 0—0,25 cos20> 0,106Ar cos 0 Ar(sin2 0— sin 04-4-0,106 cos 0)
Рпс. 266. Расчетная схема п основная система обделки па упругих опорах
Усилия в основной системе находят в соответствии с указаниями § 39. Для обделки кругового очертания вычисления упрощаются вследствие равенства сторон многоугольника и радиального направления опор. Так, обращаются в нуль усилия в стержнях и опорах за пределами зоны непосредственного действия единичных моментов во вспомогательных состояниях основной системы, если они приложены в любых точках шарнирно-стержневой цепи, кроме опорной точки трехшарнпрной арки.
Усилия в основной системе изображают на развертке полуоси обделки аналогично рис. 95. На рис. 268 приведена соответствующая развертка для упрощенной расчетной схемы обделки на тринадцати опорах.
Перемещения основной системы определяют по формуле (91). При этом в породах с коэффициентом упругого отпора /г 10 кгс/см3 они могут быть с достаточной точностью найдены без учета обжатия оси нормальными силами, т. е. по двучленной формуле
-- -г f М'- и- 2 , (200)
J Dm
где Е — модуль упругости (для чугуна Е = 107 тс/м2);
Dm — характеристика жесткости для всех опор, кроме нижней: D„} = = D = kab.
В породах с k > 10 кгс/см3 учет влияния нормальных сил на деформации основной системы вызывает увеличение изгибающего момента в наиболее на-
пряженном замковом сечении обделки, и им пренебрегать не следует.
Неизвестные моменты в местах введения шарниров определяются из решения канонических уравнений, отрицающих суммарные перемещения по направлению отброшенных связей:
ЛХ-Др = 0, (201)
где Л и Ар — соответственно матрица единичных и вектор грузовых перемещений основной системы;
X — вектор неизвестных.
Для упрощенной расчетной схемы матрицы А и векторы А,, и X имеют вид:
Рис. 267. Упрощенная расчетная схема обделки па упругих опорах
Pirc. 268. Таблица усилий в основной системе
при обделке на тринадцати опорах
^00 ^01 ^02 ®03
^13
^23
®зз
®10 ч Ч
*12
^32
62i 631
А(»р ^1р Дзр Д3р ч
М2 ' м3
(202)
при обделке на одиннадцати опорах
А =
Д
(203 >
Правильность вычисления перемещений контролируют в общем случае по формуле (94), а для упрощенной расчетной схемы — по формулам:
6SS = — — + 2 = 26ifc;
ss з El Dm
с/ Ujn
(20^)
где Rms и RfnP — усилия в опоре т соответственно в суммарном S и грузовом Р состояниях;
Dm — характеристика жесткости опоры /л;
штр — площадь эпюры моментов от нагрузки на трехшарнирной арке.
Значения моментов в сечениях трехшарнирнон арки, а также усилия в стержнях и опорах определяют по формулам (95).
В общем случае условием правильности статического расчета является равенство нулю угла поворота в замковом сечении, т. е. приведенной площади эпюры моментов:
2Шт. = 0, (2051
'т
где ат — площадь эпюры моментов на стержне т, имеющем момент инерции Л»-
Для упрощенной расчетной схемы условием правильности расчета является равенство нулю суммы углов поворота по направлению лишних неиз-280
вестных. На рис. 269 изображены результаты расчета и суммарное состояние основной системы. При Im = const
ч_3 + + E/S о,
3 Dm
(206)
где w0_3 — площадь заштрихованной части эпюры моментов между точками 0 и 3\
Rm и Rms — реакции опоры т в окончательном и суммарном состояниях.
Изложенный метод расчета сборных обделок со связями растяжения в стыках как кольца в упругой среде полностью применим для расчета обделок кругового очертания из монолитно-прессованного бетона, которые обладают непрерывной упругой осью.
Недостатком изложенного метода расчета тоннельных обделок в упругой среде является применение теории местных деформаций с оценкой упругих свойств основания с помощью коэффициента упругого отпора /г, не являющегося физико-механической характеристикой породы.
Расчет обделки как кольца на линейно деформируемом основании. Для обделок кругового очертания возможен более правильный подход к определению деформаций окружающих пород, которые с достаточной точностью .можно расссматривать как линейно деформируемую среду, подчиняющуюся закономерностям теории упругости.
В 1951 г. канд. техн, наук С. А. Орловым была установлена зависимость между нормальными напряжениями и радиальными деформациями на контуре кругового выреза в линейно деформируемой плоскости. В основу расчета положены определяемые экспериментально модуль общей деформации Е6 и коэффициент поперечной деформации |10.
Для различных значений р.л получены увеличенные в Ео раз радиальные перемещения и на контуре кругового выреза от единичной нагрузки, равномерно распределенной по дуге, соответствующей центральному углу 2р <рис. 270).
Эпюра величин 1] = Еои представляет собой линию влияния радиального перемещения и в масштабе Ео, являющуюся условной, так как она получена не от сосредоточенной, а от распределенной нагрузки.
Для частного случая, соответствующего Р = П°15' и р.о = 0,3, ординаты эпюры )] приведены в табл. 25.
Таблица 25
Ординаты условной ЛИНИИ ВЛИЯНИЯ Т) = Ео и
Точки 0 I •> 3 -1 5 6 8
л 1,38 0,35 —0,09 —0,20 -0,12 0,06 0,28 0.44 0,50
Решение получено для отверстия в бесконечном массиве, т. е. для бесконечно большого заглубления выработки от поверхности земли. Однако при деформациях обделки в работу вовлекается ограниченный слой породы вокруг
тоннеля и влияние глубины заложения на напряженное состояние системы сравнительно невелико. Это. позволяет распространить полученные результаты на случай тоннельных выработок, расположенных на глубине, большей двух-трех диаметров обделки.
Рис. 269. Окончательные усилия в обделке па упругих опорах
Используя ЛИНИЮ ВЛИЯНИЯ 1], можно вычислить осадку любой опоры обделки, преобразованной в многоугольник и помещенной в круговой вырез (рис. 271). Так, например осадка в точке 1 от действия реакций опор основной системы, вызванных нагрузкой или единичными моментами, будет равна
ui = 7“ 1^1 (Ло + Ла) + Ri (Л1 + Ла) + (Лг + Лв) + Rt (Лз + Л?) +
Со
+ Rb (л4 + Л8) + Re (Ла + л7) + 2^7 Л6].
Найденные таким образом осадки опор используют для определения перемещений основной системы по формуле
5^ р Мt Mh ds
J El
Nj
EFm
^mi Rrnhf
(207)
где Rmk — реакция опоры m основной системы от действия единичных моментов, приложенных в точках k, или от нагрузки;
umi — осадка опоры т основной системы от действия единичных моментов, приложенных в точках i, определяемая по формуле
umi = ^Лтп Rnb (208)
Rni — реакция опоры п основной системы от действия единичных моментов, приложенных в точках i;
Лтп — ордината условной линии влияния, совмещенной нулевой точкой с точкой т, соответствующая точке п.
Дальнейший ход расчета не отличается от вышеизложенного, но дополняется определением радиальных деформаций, которые не пропорциональны реакциям опор:
«т=^-2ЛтпЯп. (209)
Ео
где Rn — окончательное значение ракции в точке п.
Если в результате расчета радиальная деформация на границе безотпор-
ного участка окажется меньше нуля, соответствующую опору исключают и расчет повторяют для безотпорного участка большего протяжения.
Значительно осложняется расчет при учете сил трения, так как при повороте опор на угол трения нельзя использовать условные линии влияния.
Проведенное С. А. Орловым исследование показало, что величина коэффициента поперечной деформации р,0 мало влияет на усилия в кольце, которые в основном зависят от величины Ео.
Рис. 270. Условная линия влияния Ео кратных Рис. 271. Усилия в опорах обделки радиальных деформаций контура кольцевого в кольцевом вырезе
выреза
Расчет тюбинговой обделки по предельным состояниям. Изложенные методы расчета основаны на рассмотрении работы обделки в упругой стадии. В действительности соединение элементов обделки не является абсолютно жестким, особенно при отсутствии перевязки продольных стыков. В этом случае вследствие прогиба торцовых бортов и удлинения болтовых связей происходит раскрытие стыков между тюбингами.
Предельные значения усилий в болтах наиболее напряженного стыка (обычно в зоне по-
Рнс. 272. Предельный момент в стыке, раскрытом изнутри
ложительных моментов, вблизи замкового сечения) определяют по норматив-
ному сопротивлению болтовой стали (для стали Ст. 3 /?б.с = 2400 кгс/см2) с учетом коэффициента однородности стали (для стали Ст. 3 k = 0,90). Наиболее неблагоприятно для тюбингов повышенное качество болтовой стали. Поэтому нормативное сопротивление делят на коэффициент однородности.
Прн общей площади болтов ряда Гб предельное усилие в болтах
*6. k
/v6
=Р6
(210)
При раскрытии стыка с внутренней стороны (рис. 272) у закругления торца тюбинга образуется площадка смятия, через которую передается нормальная сила N и усилие в болтах А/б наиболее напряженного внутреннего ряда. Высота площадки смятия равна
(211)
И?СМ-Т
где 7?смт — расчетное сопротивление смятию торцов чугунных элементов (для чугуна СЧ-21-40 /?см.т = 2700 кгс/см2);
А/ — нормальная сила из расчета в упругой стадии для тюбинга шириной Ь.
Изгибающий момент в пластическом шарнире относительно центра площадки смятия ограничен величиной
^ + JV6(C1__L) (212)
Вследствие этого происходит перераспределение усилий в обделке с повышением ее несущей способности. Предельное состояние по раскрытию стыков наступает значительно раньше предельного состояния по прочности конструкции. Поэтому для обеспечения водонепроницаемости обделки необходимо ограничивать величину раскрытия стыков, которая с учетом прогиба бортов не должна превышать 2 мм. Кроме того, гидроизоляцию швов между тюбингами следует выполнять лишь после полного прекращения деформаций обделки (после контрольного нагнетания за обделку).
Если максимальный положительный момент в замковом сечении обделки, полученный из расчета в упругой стадии для кольца шириной 1 м, Ma < то обделка рабо-ь
тает в упругой стадии.
„ лСт
При Л1о > ——- расчет повторяют в предположении, что в замке обделки образуется b
A/f
пластический шарнир. В этом случае приведенный к 1 пог. м стыковой момент рас-
ь
сматривают как нагрузку, а определению подлежат моменты в местах упругих опор. Состояние Р' основной системы получается суммированием первоначального грузового
состояния и увеличенного в раз состояния 0 (рнс. 273).
Единичные перемещения основной системы сохраняют прежние значения, грузовые перемещения изменяются.
Для обделки на тринадцати опорах, в нижней половине которой изгибающие моменты приняты равными нулю (упрощенная схема):
д'х+д;=о,
где
б1Х 612 613 Д ip Ml
А' = 621 622 6 23 ; д; = &2р ; Х = м2
631 632 633 А'зр М3
(213)
Для определения новых значений грузовых зовать результаты предыдущего расчета:
перемещений можно исполь-
Д{р = Д1р + ^610;
О
Д 2р = Дар+—620; О
Д^ = Дзр+-^63о.
о
(214)
Повторный расчет позволяет выявить сечения с максимальными отрицательными моментами, которые при работе обделки в упругой стадии не должны превышать предельного изгибающего момента в стыке ^£1, соответствующего раскрытию стыка с на-Ь
ружной стороны (рис. 274). В этом случае площадка смятия образуется у чеканочной канавки, т. е. на более податливой стороне торцового борта тюбинга. Поэтому при определении высоты площадки смятия в формулу (211) вводят не полную ширину Ь тюбинга, а сумму &о достаточно жестких участков, через которые происходит передача усилия:
Рис. 274. Предельный момент в стыке, раскрытом снаружи 284
йо = 2(6К + 6),
(215а)
где Ьк — толщина кольцевого ребра;
6 — толщина торцового борта.
При наличии среднего ребра толщиной йс:
Ьо = 2 (йк+6) + йс+26. (2156)
Абсолютная величина предельного моменте в стыке при раскрытии стыка с наружной стороны
= + (216)
Обычно М^т превышает отрицательный момент, возникающий в упругой стадии, и на этом статический расчет заканчивается.
Проверку правильности эпюры моментов и реакций опор производят вх сопряжением по формуле (200) с состоянием основной системы, соответствующим упругой работе конструкции.
Проверка прочности чугунного тюбинга. Прочность сечения чугунного тюбинга проверяют по формуле внецентреннего сжатия
О = Л± (217;
где N и М — усилия, приходящиеся на кольцо шириной 6;
F и / — площадь и момент инерции сечения тюбинга;
R — расчетное сопротивление, равное для чугуна СЧ-21-40 на сжатие 1800 кгс/см2 и на растяжение 600 кгс/см2;
у — расстояние от нейтральной оси до соответствующей кромки сечения.
Обычно критической для чугунных тюбингов является работа на положительный момент (растяжение на внутренней кромке сечения при у = = h — z). .
Кроме прочности тюбинга в целом как элемента кольца обделки, должна быть обеспечена прочность его оболочки, подвергающейся совместному действию давления породы и воды. Оболочка работает как плита, частично защемленная по контуру, с пролетами, измеряемыми между центрами тяжести опорных утолщений. В запас прочности оболочку толщиной /, м рассматривают как плиту с частичной заделкой с пролетом, параллельным оси тоннеля. При -И = -qy (тс-м)
/>0,6/1/-4-, (218)
г /\р
где Rp = 6000 тс/м3 — расчетное сопротивление чугуна на растяжение.
По условиям возможности качественной отливки массовых изделий г > 18 4- 20 мм.
Если обделка работает в упругой стадии! имеется перевязка стыков или Л1о <_”1,
\ b '
необходимо проверить напряжения в болтах, которые не должны превышать расчетного сопротивления болтовой стали /?б.с с учетом коэффициента условий работы 0,8 (для стали Ст. 3 — 1700 кгс/сма; для стали Ст. 5 — 1900 кгс/см!).
Усилие, приходящееся на один болт
внутреннего ряда (обычно в замко-
вом сечении)
A/g = J- _ М--^г~-Г) -(Sx-r). (219)
«1 («1— И2+(«2— Г1)
Обозначения, входящие в формулу (219), соответствуют рис. 275, где — усилие в каждом из гпг болтов наружного ряда;
/Пх — число болтов во внутреннем ряду с учетом степени их загруженности. Болт, расположенный в середине борта, вводится в работу с коэффициентом 0,5, так как прогиб борта уменьшает приходящееся на этот болт усилие.
Проверка болтов на действие отрицательного момента, как правило, не требуется, так как в этом случае стык закрывается нормальной силой,
Рис. 275. Усилия в болтах, работающих в упругой стадии
приложенной с большим плечом относительно края чеканочной канавки.
§ 80. ОБДЕЛКИ БЕЗ СВЯЗЕЙ РАСТЯЖЕНИЯ В СТЫКАХ
Особенности работы и статического расчета сборных железобетонных обделок. Сборные железобетонные обделки состоят из блоков сплошного или ребристого сечения, в стыках между которыми отсутствуют связи, препятствующие раскрытию стыков. Напряженное состояние сборной обделки в сильной степени зависит от конструкции, числа и расположения стыков между блоками. В конструктивном отношении характерны следующие решения:
шарнирные стыки, к которым относятся стыки с упругими прокладками между плоскими торцами блоков и цилиндрические стыки;
плоские стыки, которые в случае блоков ребристого сечения могут иметь монтажные болтовые связи.
Особенностью железобетонных обделок из блоков с плоскими стыками является наличие в стыках зазоров, возникающих до начала работы конструкции в рабочей стадии. Причинами появления начальных зазоров могут быть трудно учитываемые и случайные факторы (например, неточности изготовления блоков, искажение формы обделки при монтаже вследствие отсутствия или несовершенства применяемых приспособлений, влияние связей между кольцами и т. п.).
Наличие начального зазора, при котором блоки соприкасаются не по всей площади торцов, а лишь по узкой площадке у одной из граней, вызывает смещение нормальной силы к наружной или внутренней грани блока с возникновением в стыке соответственно положительного или отрицательного момента (рис. 276). Такие изгибающие моменты от эксцентриситета нормальной силы в стыке могут достигать значительной величины. При расчете обделки следует исходить из наиболее неблагоприятного расположения начальных зазоров, при котором конструкция имеет минимальную несущую способность.
Выявление такого расположения зазоров связано с большими трудностями, так как общее число сочетаний начальных зазоров весьма велико. Так, для симметричной обделки с зазорами во всех п стыках оно равно 2Л (при п = 7, 2П = 128). Поэтому в основу расчета сборных обделок с плоскими стыками положено построение огибающей эпюр моментов, учитывающей все возможные сочетания начальных зазоров.
Статический расчет сборных железобетонных обделок производят с учетом конструкции и расположения стыков, которые в первой стадии расчета рассматривают как шарнирные. Расчетная схема обделки изображена на рис. 277, а. Два верхних блока образуют трехшарнирную арку, опирающуюся на вписанную в контур выработки ломаную балку на упругих опорах, помещенных в местах стыков и в средних точках блоков. В действительности на небольшом участке около опорной точки арка находится в контакте с упругой средой, однако влиянием отпора на этом участке можно пренебречь в запас прочности конструкции. Вкладыш-замок вследствие небольшой длины рас
сматривают как шарнир.
В качестве неизвестных, определяемых по методу сил, принимают изгибающие моменты в средних точках блоков, находящихся в зоне взаимодействия обделки с породой
Рис. 276. Начальные зазоры в стыках блочной обделки
(рис. 277, б).
Конструкцию стыков учитывают последующим введением в шарниры возникающих в них моментов.
В случае цилиндрических шарниров и плоских стыков с упругими прокладками моменты возникают от эксцентрического приложения нормальных сил вследствие неточностей изготовления и монтажа блоков, а также в резуль-
Рпс. 277. Расчетная схема и основная система шарнирной обделки
тате образования зон пластических деформаций в . месте контакта между блоками. При современной технологии изготовления и монтажа блоков следует считаться с возможностью эксцентриситета е0 в стыке, достигающего ±0,1й, где h — высота сечения блока (см. ВСН 111-64).
Момент в стыке Мст = е0, где Nm — нормальная сила в шарнир-
ной обделке с шириной кольца Ь.
При наличии между плоскими торцами ребристых блоков монтажных болтов в стыках возникают дополнительные изгибающие моменты от затягивания болтов при монтаже. Их величины различны в зависимости от того, с какой стороны происходит раскрытие начального зазора в стыке. Так, при раскрытии стыка изнутри (рис. 278, а) нормальная сила смещается к наружной грани торца, образуя площадку смятия высотой
.(ЛГщ+ЛГб)
(220)
где Мб — усилие в болтах одного ряда общей площадью F6 [см. формулу (210)];
— нормативное сопротивление бетона на сжатие при изгибе;
k6 — коэффициент однородности бетона (k6 = 0,60).
Этому случаю соответствует положительный момент в стыке
(221)
При раскрытии стыка снаружи (рис. 278, б) площадка смятия образуется
у чеканочной канавки и в стыке возникает отрицательный момент:
М7т = лЦ</а—2-) +
-?M6(ca-f). (222)
В этом случае при с2 < -к- можно считать Л’6 = 0.
Рис. 278. Усилия в стыках обделки из железобетонных тюбингов
Рис. 279. Огибающая эпюр моментов на верхнем блоке обделки
При отсутствии растянутых связей между плоскими торцами блоков (Мб = 0) изгибающие моменты возникают в зависимости от того, с какой стороны образуются начальные зазоры. В этом случае:
Из приведенных формул следует, что для снижения стыковых моментов целесообразно уменьшение величин и d2, что может быть достигнуто соответственно устройством фаски с наружной стороны и увеличением глубины а чеканочной канавки.
Более рационально применение цилиндрических стыков и стыков с упругими прокладками, обеспечивающих меньшие эксцентриситеты приложения нормальных сил. При этом несколько усложняются изготовление блоков и монтаж обделки, но условия ее работы значительно улучшаются. Обделки с шарнирными стыками обладают повышенной трещиностойкостью и водонепроницаемостью по сравнению с обделками, имеющими обычные плоские стыки.
Общим свойством сборных обделок со стыками рассмотренных конструкций является возможность возникновения в стыках моментов разных знаков. По значениям моментов в стыках строят огибающую эпюр стыковых моментов. В результате суммирования ординат огибающей с ординатами эпюр моментов на блоках из расчета шарнирной обделки получают огибающую эпюр моментов, учитывающую наиболее неблагоприятное положение нормальных сил в стыках. Огибающая для блока, входящего в состав трехшарнирной арки, изображена на рис. 279.
Расчет многошарнирной обделки в упругой среде. Как следует из вышеизложенного, обделку из железобетонных блоков со стыками любого вида рас
считывают как многошарнирную конструкцию в упругой среде, расчетная схема которой изображена на рис. 277. Усилия в такой конструкции могут быть определены методом, изложенным в § 79. В этом случае границы безотпорного участка близки к опорным точкам трехшарнирной арки. Поэтому для верхней упругой опоры характеристика жесткости
L>i = - kab.
2
В качестве лишних неизвестных принимают изгибающие моменты в средних точках блоков с четными индексами (Л4„ Л44 и т. д.).
Усилия в основной си-
Рис. 280. Таблица усилий п основной системе
стеме от единичных момен-
тов и нагрузки определяют обычным способом н изображают на развертке полуоси обделки (рис. 280).
Наиболее напряженной частью блочной обделки является трехшарнирная арка, подвергающаяся действию вертикальной q и горизонтальной р равномерно распределенных нагрузок (рис. 281). Так как деформации арки не влияют на перемещения по направлению неизвестных, целесообразно рассматривать арку как кривой брус, не заменяя распределенных нагрузок сосредоточенными.
Реакции арки:
V = qxi,
H = ^~(qxi±pyX).
*У1
Усилия в сечениях арки:
Ме = Ну—у (qx2 + ру2)\
N& = (H — ру) cos 0 + qx sin 0.
Рис. 281. Трехшарнириая арка блочной обделки
(224)
(225)
Независимо от соотношения нагрузок е = у- наибольший момент возникает в сечении под углом 0Э к вертикали:
0Э = arc cos
1 *т“СС
2
Усилия, передающиеся в точку 1 нижней части обделки:
P^V+^^-x.)-
(227)
Et= — H—pyr--^(Уг — У^ .
При определении перемещений основной системы следует иметь в виду, что длины сторон многоугольника неодинаковы:
для стандартных блоков
а = 2г sin —;
2
для лоткового блока
an = 2rsin -52-, 2
где <рл — угол, соответствующий половине лоткового блока.
Кроме верхней опоры, характеристиками жесткости, отличными от стандартных, обладают предпоследняя [D5 = -у-(а + ал)1 и последняя (De = = 2 2'"
Перемещения основной системы, зависящие лишь от деформаций ломаной балки и основания, определяют при k 10 кгс/см3 без учета обжатия стержней Ю Зак. 1207 289
нормальными силами по формуле (200). Правильность их определения проверяют по формулам:
]-S_5k=26jh;
0С1 OCIji
двр = 2^тр =2Д.р> ь'т
(228)
Где п — число стандартных блоков в полукольце (в данном случае п = 3);
/п — среднее значение момента инерции лоткового блока;
/?т8 и Rmi> — усилия в опоре т в суммарном S и грузовом Р состояниях основной системы.
С учетом обращения в нуль б/*, Д^ и б£в матрица и вектор грузовых перемещений, а также вектор неизвестных имеют вид:
Л = ®2 2 64 2 4-6* 1 и22 *24 ®44 4“ °44 0 «44 II А. д?Р Д?₽ мг • (229)
0 6Я U84 *88 +с Д& М,
Изгибающие моменты в средних точках блоков находят из уравнения
лх+др=о.
Ввиду малого числа неизвестных целесообразно непосредственное решение уравнений без получения обратной матрицы (например, способом Гаусса).
Усилия в стержнях и опорах обделки находят суммированием усилий вспомогательных состояний основной системы по формулам:
Рт = Ртр Ч” 1 (230)
Nm = Nmp+^NmkMh. I
Проверку правильности расчета осуществляют сопряжением окончательных эпюры моментов и реакций опор (в случае необходимости нормальных сил) с суммарным состоянием S по формуле (200), результат которого должен быть равен нулю.
Эпюру упругого отпора <тт = (ат — длина постели опоры) строят в виде плавной кривой, проходящей через концы ординат в точках т и резко убывающей до нуля за точкой 1 на трехшарнирной арке. Нормальные силы по длине стержней приняты постоянными. Поэтому ординаты эпюры N в нижней части обделки равны полусуммам нормальных сил в примыкающих к опоре стержнях, а в сечениях трехшарнирной арки определяются по формуле (225).
Расчет обделки из жестких блоков. Если обделка состоит из большого количества блоков, их деформации от изгиба и обжатия незначительны и их можно не учитывать. Для прямого стержня на упругом основании такое до-пущение законно, если его приведенная длина Л, не превышает единицы. Учитывая условность определения коэффициента упругого отпора и нагрузок на тоннельную обделку, а также влияние нормальных сил, выравнивающих отпор по длине криволинейного стержня, этот критерий допустимо сделать менее строгим и считать блоки абсолютно жесткими, если X 1,8.
Этому случаю соответствует неравенство
—1/^-, (231)
ru V kb ’
где гн — наружный радиус обделки;
Ф — центральный угол, соответствующий блоку;
/ — момент инерции сечения блока;
Е6 — модуль упругости железобетона данной марки.
Если принять равномерным распределение отпора породы на каждом блоке, кроме блока, входящего в состав трехшарнирной арки, то его интенсивность, а также нормальные силы и изгибающие моменты в сечениях каждого блока можно определить из уравнений равновесия.
Нормальную силу JV0 — распор трехшарнирной арки — находят из уравнения ZMl = 0; поперечную силу Qt — из уравнения 2Z = О (рис. 282,а). Остальные нормальные силы можно найти по формуле
Nm = Nm-i+^, (232)
Г
где Мот — момент нагрузок (Рт, Ет, Gm), приложенных к блоку т относительно центра обделки (рис. 282, б).
Проверку правильности опреде
ления нормальных СИЛ производят Рис. 282. Обделка из жестких блоков из условия равенства нулю усилий, действующих на половину обделки относительно ее центра, по формуле (рис. 283)
(Л'п — WQ)r—0,32Gr = 0,
(233)
где ;Vn — нормальная сила в нижней точке обделки;
G — полный вес кольца обделки шириной 1 м.
Для определения реакций породы и поперечных сил Qm в нижней точке каждого блока имеются два уравнения проекций приложенных к блоку усилий на направления радиусов, проведенных в среднюю и нижнюю точки блоков (см. рис. 282, б). Из рассмотрения равновесия нижнего блока следует, что для определения реакции (на оси симметрии Qm = 0) имеются два уравнения. Поэтому, кроме реакции породы, определению подлежит угол 0, составляемый ею с вертикалью. Следовательно, отпор на нижнем блоке в общем случае распределен неравномерно (0 =# -у-) (рис. 282, в).
Изгибающий момент в средней точке блока (рис. 284) равен
МАп = MAmp-r Nmr I 1— cos + г sin --------^-sin-2- , (234)
\ 2 / Z Л
где МАтпр—момент от нагрузки (q, действующей на нижнюю половину блока;
Л'т, Qm, Rm — нормальная и поперечная силы в точке т блока и радиальная реакция породы на блоке.
Несмотря на кажущуюся простоту такого приема расчета, его применение связано с большим объемом вычислительной работы.
Поэтому более целесообразен общий метод расчета с введением упругих опор, при котором изгибающие моменты в средних точках блоков получаются непосредственно из решения канонических уравнений.
Рис. 283. Проверка нормальных сил в обделке
Рнс. 284. Изгибающий момент в середине блока
Подбор арматуры железобетонных блоков. Так как блоки подвергаются действию моментов обоих знаков, обусловленных эксцентрическим приложением нормальных сил в стыках, и должны быть взаимно заменяемыми, наиболее употребительно их симметричное армирование. Лишь для блоков, образующих трехшарнирную арку, в которых преобладают односторонние (обычно отрицательные) моменты, может оказаться целесообразным несимметричное армирование, если они отличаются от стандартных геометрическими размерами или конструкцией примыкания к замку.
Подбор арматуры по найденным значениям М и N, которые приведены к ширине блока Ь, производят в соответствии с указаниями СНиП П-В.1-62 с учетом увеличения эксцентрисистета приложения нормальной силы в результате прогиба внецентренно сжатого стержня.
Расчетную длину блока, рассматриваемого как двухшарнирная арка, принимают равной Zo = 0,545, где 5 — длина оси блока. (В действительности все блоки, кроме блока, находящегося в безотпорном участке, находятся в упругой среде и поэтому имеют меньшую расчетную длину.)
Коэффициент т) увеличения эксцентриситета для стержней прямоугольного сечения
П --------!-------, (235)
1—А-(АГ cRa bh\ h J
где Rit — расчетное сопротивление бетона сжатию при изгибе.
Для обычных соотношений размеров блока (-^-< Ю) можно принимать с = 400, что соответствует среднему проценту1 армирования блока («1%). В этом случае можно не учитывать также влияния длительного действия нагрузки на деформации блока. Иначе для подбора арматуры вместо М и е0 = = А, полученных из статического расчета, вводят приведенные значения Мп и еоп (СНиП П-В.1-62, п.7-51).
При симметричном армировании высота сжатой зоны сечения
х = —. (236)
М?и
Если блок имеет ребристое сечение, в формулу (236) подставляют ширину блока b (при М >0) или сумму ширины ребер 260 (при М < 0).
Возможны следующие основные случаи (рис. 285): при 2а' ^х 0,55
р-р' N[e-(ho-O,5x)] (237а)
а /?а(Йо-в')
1 При минимальном проценте армирования с « 300.
венного армирования
при х < 2а'
при х > О,55Ло
(Лр—о')]. а Ла(Лр-а') ’
/V- 0,4ЯиМд
а а Яа(й0-И
(2376)
(237в)
Во всех случаях площадь односторонней арматуры Fa = F’3 должна быть не менее [ibh0, где р, = 0,15% для бетона марки 400 и р, = 0,2% для бетона марки 400, если -^->10. В качестве рабочей арматуры принимают стержни диаметром не менее 12 мм из горячекатаной стали круглой класса А-1 (7?а = = Rac = 2100 кгс/см2) или периодического профиля класса А-П (/?а = = 7?ас = 2700 кгс/см2).
Усиление стыков между блоками. Наиболее ответственными местами сборной железобетонной обделки являются стыки между блоками, где нормальные силы передаются через небольшие площадки контакта, вызывая значительную концентрацию напряжений, которая может быть причиной образования трещин и отколов, тем более что соприкасающиеся торцы блоков состоят из не-армироваииого бетона.
Специальные указания по' расчету усиления стыков железобетонных тоннельных обделок в литературе отсутствуют.
При проектировании сборных железобетонных обделок могут быть использованы указания СНиП П-В. 1-62 по расчету железобетонных элементов на местное смятие. Согласно п. 7.13 при недостаточной прочности стыка у торца элемента устанавливают сварные сетки (рис. 286), охватывающие продольную арматуру на участке длиной, считая от торца элемента, не менее двадцати или десяти ее диаметров соответственно для гладкой арматуры и арматуры периодического профиля. Косвенное армирование ограничивает поперечные деформации бетона, как бы заключенного в обойму, и значительно повышает несущую способность стыка, одновременно предотвращая образование трещин и отколов.
Несущая способность усиленного таким образом стыка может быть определена по формуле
A^ = S*np^M + H**e^. (238)
где 5 — коэффициент, учитывающий действие бетонной обоймы:
5 = 4—31/(239)
(240)
Допустимые значения £ лежат в пределах от 2 до 3,5;
Fa — площадь ядра, ограниченная сеткой;
/?а — расчетное сопротивление арматуры сеток (для проволоки диаметром 3—5,5 мм R = 3150 кгс/см2);
F = bh. — площадь сечения блока;
Fc„ = xh— площадь смятия, высота которой в зависимости от конструкции стыка равна:
для плоского стыка без связей
bR”
для плоского стыка с болтовыми связями
Д. = (^ш+Лгб)йб, (241)
bRnn
Величина площадки смятия в месте контакта цилиндрических поверхностей разных радиусов в значительной степени зависит от пластических деформаций бетона и, следовательно, от длительности действия нагрузки. Наименьшие размеры площадки соответствуют упругой работе бетона в месте контакта. В связи с пластическими деформациями бетона высота площадки смятия больше высоты, соответствующей упругой. работе стыка. Поэтому изложенный ниже расчет дает преувеличенное армирование для цилиндрических стыков, что необходимо иметь в виду. Используя формулу Герца при коэффициенте поперечной деформации v = 0,17, получим:
для цилиндрического стыка, см,
х = 3,151/—•, (242)
V Ес Н—
где p = — удельное давление в стыке, кгс/см;
Еб — модуль упругости бетона, кгс/см2;
ri и f2 — радиусы кривизны вогнутого и выпуклого торцов блока, см, (см. рис. 286).
Входящий в формулу (238) объемный коэффициент косвенного армирования цк характеризует степень насыщения опорных частей блока арматурой сеток:
Ив = f (243)
где nt, /1( п2, /2 — число и длины взаимно перпендикулярных стержней сетки, имеющих площадь сечения соответственно и /2;
s — расстояние между сетками.
Приравнивая значение нормальной силы в стыке несущей способности стыка /VCT, можно определить величину коэффициента и подобрать соответствующие ему параметры сеток.
Обычно в зоне стыка располагают не менее трех сеток, причем первая из них находится на расстоянии защитного слоя от поверхности контакта блоков.
Глава 20
НЕМЕХАНИЗИРОВАННЫЕ ТОННЕЛЬНЫЕ ЩИТЫ
§ 81. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Щит представляет собой металлическую крепь, периодически перемещающуюся под действием гидравлических домкратов. Опорой для домкратов служит торцовая плоскость обделки, собираемой под защитой оболочки щита.
Форма поперечного сечения щита зависит от формы сечения тоннельной обделки и поэтому может быть круговой, эллиптической, подковообразной и прямоугольной. Преимущественное применение имеют щиты кругового очертания, которые и будут поэтому рассмотрены более подробно (специальные щиты рассмотрены в главе 21).
Хотя конструктивные решения щитов достаточно разнообразны, в их схеме можно выделить следующие основные части (рис. 287): ножевое кольцо, опорное кольцо, хвостовую часть, перегородки и щитовые домкраты.
Ножевое кольцо служит для частичного срезания мягких и сы пучих пород и предохранения от вывала породы.
Опорное кольцо, непосредственно примыкающее к ножевому служит для размещения щитовых и забойных гидравлических домкратов, труб и пускорегулирующей аппаратуры.
Хвостовая часть, представляющая собой тонкую оболочку, консольно выступающую в сторону тоннеля, служит для ограждения места монтажных работ по всему контуру обделки или только в ее верхней части.
Перегородки — горизонтальные и вертикальные — делят щит на независимые рабочие ячейки, необходимые для производства тщательного крепления и безопасности ведения работ по всему забою.
Щитовые гидравлические домкраты служат для перемещения щита и в некоторых случаях для его вдавливания с целью разработки породы.
Конструкция щитов в целом или их отдельных узлов и приспособлений должна соответствовать инженерно-геологическим условиям и технологии проходки.
К немеханизированным щитам предъявляются следующие основные требования;
при всех условиях проходки конструкция щитов должна быть прочной и жесткой, обеспечивающей неизменность геометрической формы сечения обделки;
для проходки в породах, поддающихся механической разработке, конструкция щитов должна обеспечивать размещение и крепление проходческих машин;
в сыпучих и разжиженных породах конструкция щитов должна допускать установку специальных
Рис. 287. Общий вид щита:
/ — опорное кольцо; 2 —ножевое кольцо; 3 — вертикальная перегородка; 4 — выдвижная платформа; 5—горизонтальная перегородка; 6 — платформенный домкрат; 7 —забойный домкрат; 0 —накладка; у —оболочка; 10—щитовой домкрат; //-опор-
устройств для ограждения забоя и частичного дозированного впуска породы внутрь тоннеля при вдавливании щита;
для пересечения крепких пород, требующих применения буро-взрывных работ, щиты и вспомогательное оборудование (выдвижение платформы) должны иметь более надежную конструкцию;
в смешанных породах по трассе и в поперечном сечении тоннеля конструкция щитов должна обеспечивать возможность установки и снятия дополнительных забойных ограждений.(домкратов и др.);
конструкция щитов должна быть, как правило, сборной, обеспечивающей удобную сборку в котлованах или в подземных условиях; как исключение, прп малых размерах щитов их конструкция может быть цельносварной;
ножевое кольцо должно иметь в верхней части уширение-козырек(аванбек>. а (см. рис. 288), размеры которого зависят от степени устойчивости пород. В неустойчивых породах такой козырек может иметь значительные размеры; в некоторых случях его делают выдвижным;
опорное кольцо должно иметь достаточную ширину для размещения щитовых домкратов; в отдельных случаях, чтобы увеличить длину щита с целью размещения в нем механического оборудования, применяют два опорных кольца или одно уширенное;
хвостовая часть щита должна перекрывать одно или два кольца обделки с небольшим запасом для обеспечения безопасности при монтажных и демонтажных работах (последние производятся в случае замены поврежденного элемента обделки);
перегородки щита следует размещать с учетом удобства ведения проходческих и погрузочных работ, а также в отдельных случаях с учетом размещения тюбингоукладчика; кроме этого, перегородки играют роль элементов жесткости конструкции;
гидравлические щитовые домкраты нужно располагать и закреплять в опорном кольце равномерно и параллельно оси щита, что необходимо для правильного ведения щита по заданной трассе.
§82. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ЩИТА
Основные геометрические размеры щита определяют в зависимости от диаметра обделки, условий окружающей среды и вида проходческого механизированного оборудования. При определении размеров немеханизированного щита последний фактор не учитывается.
Наружный диаметр оболочки щита Дщ (рис. 288) зависит непосредственно от диаметра тоннельной обделки d, сооружаемой внутри хвостовой части щита. Между внутренней поверхностью оболочки щита и обделкой при конструировании щитов необходимо предусмотреть так называемый строительный зазор г для удобства сборки обделки и обеспечения небольших отклонений оси щита от направления оси тоннельной обделки при проходке криволинейных участков трассы. Средняя величина строительного зазора, удовлетворяющая обоим условиям, приблизительно равна 0,8% наружного диаметра обделки. Таким образом, наружный диаметр оболочки щита
£>щ - d + е Н- 26 = 1,008d + 26, (244)
где 6—толщина оболочки щита.
Ширина ножевого кольца LH может колебаться в известных пределах в зависимости от степени устойчивости проходимых пород. В устойчивых породах эта величина должна быть достаточной для удобной и безопасной работы проходчика. Такому условию удовлетворяет размер 1 — 1,2 м. В сыпучей среде требуемая ширина ножевой части корректируется дополнительными условиями расположения лобового откоса под углом обрушения в пределах ножа при незакрепленном забое.
Ширина опорного кольца Аеп,к определяется длиной цилиндра щитового домкрата, помещаемого внутри опорного кольца, за исключением головной час-296
Рис. 288. Конструкция пемеханизировапного шита
ти с уплотнительными устройствами. По конструктивным соображениям н опытным данным, ширина опорного кольца может быть принята равной удвоенной величине рабочего хода щитового домкрата.
Учитывая, что рабочий ход домкрата равен ширине кольца обделки Ь, можем записать
Аоп.к = 2 Ь.
Длина хвостовой (консольной) части оболочек Ло,- слагается из трех величии:
7-об = ~ ^3,
где /г — длина перекрытия обделки, принимаемая при проходке в устойчивых породах равной ширине одного кольца обделки, а при проходке в неустойчивых породах—равной ширине двух колец с небольшим запасом, т. е.
Ц = (1,2-г 2,2) Ь;
/.,"-0,154-0,2 м — длина свободного промежутка между опорой домкрата и плоскостью кольцевого борта обделки;
13 =0,64-0,7 м — длина головной и опорной частей щитового домкрата. Полная длина щита поверху
Лц — + 7-оп.к + ^-об- (245)
Отношение полной длины щита к его диаметру характеризует степень маневренности щита.
Для немеханизированных щитов средних диаметров (5—7 м) это отношение рекомендуется принимать равным 0,75, а для щитов больших размеров — 0,45. Такие отношения обепечивают, помимо маневренности, достаточную устойчивость щитов при их перемещении по заданной трассе.
Развитие по длине механизированных и специальных щитов зависит от вида оборудования, помещаемого внутри щита, и применяемых средств уплотнения
строительного зазора. Что касается щитов небольших диаметров, то их длина обычно больше диаметра, поэтому ее не ограничивают определенными соотношениями, так как состав и размеры основных элементов остаются неизменными. Основное назначение таких щитов — сооружение прямолинейных коммунальных и гидротехнических тоннелей больших протяжений при весьма малых уклонах, где наиболее важным показателем щитов считается их устойчивость.
§ 83. ЩИТЫ СРЕДНИХ И БОЛЬШИХ ДИАМЕТРОВ
Для проходки перегонных тоннелей метрополитенов обычно применяют щиты средних диаметров (5,7 4- 6,7 м), представляющие собой стальные конструкции.
Главное назначение таких щитов сводится к обеспечению безопасного ведения проходческих и монтажных работ, поэтому все конструктивные элементы щитов должны быть подчинены именно этому требованию.
Делением щита на девять рабочих ячеек при помощи двух горизонтальных и двух вертикальных перегородок создаются необходимые условия для выполнения первой задачи. Монтаж сборной обделки ведется под надежной защитой хвостовой части конструкции щита.
Представляют интерес конструкции щитов диаметром от 8,5 до 9,75 м, применяемые для сооружения станционных тоннелей метрополитенов и однопутных железнодорожных тоннелей.
Станционный щит (рис. 289) может служить примером многоярусной конструкции с открытым забоем для проходки тоннелей в условиях устойчивых пород. Щиты такого типа и сечения находят применение на строительстве станций метрополитенов и железнодорожных тоннелей.
В конструктивном отношении такие щиты подобны перегонным. В отличие от последних конструкция станционных щитов включает большее число перегородок, образующих 12—14 рабочих ячеек. Размещение трех горизонтальных перегородок обеспечивает деление опорного кольца щита на 4 яруса средней высотой около 2 м каждый. Расположение вертикальных перегородок может быть выполнено по двум
схемам.
По одной из них щит делится тремя вертикальными перегородками, что создает в каждом ярусе по четыре независимых ячейки шириной около 2 м каждая. Расположение перегородок подчинено, кроме того, условию возможного расположения на щите одного или двух тюбинго-укладчиков.
По другой схеме в щите, предназначенном для проходки тоннелей в более устойчивых породах, допускается постановка двух вертикальных перегородок, что приводит к уширению рабочих ячеек. В ряде случаев средняя вертикальная перегородка нижнего яруса может быть удалена с целью использования в забое щита породоуборочной ма-
Рис. 289. Общий вид станционного щита:
/ — ножевое кольцо; 2 — опорное кольцо; 3 — вертикальная перегородка; 4 — выдвижная платформа; 5 — забойный домкрат;
горизонтальная перегородка; 7 — защитный лист; 8 — опоркая пята; 9 — щитовой домкрат; 10 — оболочка
шины. Другой особенностью конструкции станционного щита является многослойная оболочка, подробно описанная ниже.
К несущей конструкции щитов относятся ножевое и опорное кольца, работающие совместно благодаря их соединению при помощи болтовой и шпоночной связей. В немеханизированных щитах в состав несущей конструкции включают горизонтальные перегородки, работающие как стяжки.
Конструктивные элементы. Ножевое кольцо состоит из 10—18 элементов, соединенных между собой черными болтами. По условиям подземного монтажа разбивка кольца на элементы ведется по тому же принципу, что и кольца чугунной обделки. Поэтому стыки всех нормальных элементов имеют радиальное направление и одинаковый центральный угол. Стыки замкового и двух смежных с ним элементов не радиальны.
Литой элемент ножевого кольца представляет собой в радиальном сечении неравнобокий уголок (рис. 290, а), короткая стенка которого служит для прикрепления к опорному кольцу.
В каждом элементе имеются ребра жесткости треугольного очертания, расположенные по осям щитовых домкратов, для непосредственного восприятия их давления. В местах прикрепления горизонтальных и вертикальных перегородок ребра имеют прямоугольное очертание.
Каждый элемент по наружной поверхности снабжен приливами, располагаемыми против стыковых накладок оболочки щита для обеспечения последних от истирания при передвижках щита. Толщину стенок литого элемента принимают от 40 до 65 мм, а ребер жесткости — от 40 до 60 мм.
Опорное кольцо состоит их такого же числа элементов, что и ножевое кольцо, соединенных между собой болтами. Длину замкового элемента (по дуге) опорного кольца обычно принимают несколько меньшей, а длину нижнего — соответственно большей нормального. Это объясняется тем, что верхний элемент должен быть наиболее легким для упрощения монтажных работ. Совместная работа ножевого и опорного колец обеспечивается шпонкой, плотно входящей в кольцевой паз.
Радиальное сечение опорного кольца имеет корытообразный профиль, к одной из вертикальных стенок которого примыкает ножевое кольцо (рис. 290,6). В опорном кольце имеются ребра жесткости, размещенные по обеим сторонам цилиндров щитовых домкратов.
Направление всех стыков элементов опорного кольца радиальное,за исключением стыков верхнего и смежных сегментов; стыки этих сегментов по условиям сборки несколько отклонены от радиального направления.
На передней части наружной поверхности элементов опорного кольца устроены литые приливы (против соответствующих приливов на сегментах ножевой части) для предохранения стыковых накладок оболочки щита. На наружной поверхности опорного кольца имеется выемка, в которую входят листы оболочки.
В полках элементов опорного кольца предусматривают отверстия по наружному диаметру щитовых домкратов.
Наружные стенки в месте крепления оболочки имеют толщину 50—60 мм, а вертикальные — 50 — 70 мм.
Обо л оч ка щ и т а (рис. 291) представляет также сборную конструкцию, составляемую из лекальных стальных листов, соединенных накладками. В однослойной оболочке (рис. 291, а) такие листы крепят на болтах и винтах только к опорному кольцу. В многослойной оболочке (рис. 291, б) к опорному кольцу крепят весь пакет листов, а к ножевому — только наружный слой, Это объясняется тем, что образующийся продольный ступенчатый стык улучшает работу несущей конструкции щита.
Элементы многослойной оболочки изготовляют прокатом и вальцеванием отдельных листов с последующей точечной электросваркой их в пакеты, что требует высокой точности выполнения всех заводских операций. Все стыки пакетов листов делают вразбежку с учетом последовательности монтажных работ в подземных условиях. Скрепление таких элементов между собой через накладки осуществляют при помощи винтов с потайной головкой, обращенной внутрь щита, что обеспечивает возможность его демонтажа.
Перегородки щита (рис. 292) имеют различное конструктивное назначение. Горизонтальные перегородки 2 выполняют роль затяжек несущей конструкции. Эти ответственные элементы крепят к ребрам жесткости при помощи точеных двухсрезных болтов. Перегородки щита изготовляют из стальных листов толщиной 18—20 мм с минимальным количеством стыков, размещаемых вразбежку.
Вертикальные перегородки / выполняют роль распорок несущей конструкции и упоров для крепления забоя. Каждая вертикальная перегородка состоит по длине из отдельных монтажных элементов, число которых равно числу ярусов щита. Толщина стальных листов, из которых состоит перегородка, 18—20 мм. В пределах ножевого кольца все перегородки трехслойные, а в пределах опорного кольца — одно- или двухслойные. Такое конструктивное решение объясняется повышенной ролью перегородок ножевой части кольца, непосредственно воспринимающих лобовое сопротивление при передвижках щита.
Рис. 291. Конструкция оболочки щита
Разбивка листов
Схема, расположения стыков оболочки.
Рпс. 292. Конструкция перегородок щита
Трехслойные элементы перегородок выполняют в заводских условиях в виде пакетов, усиленных уголками и швеллерами (см. рис. 292). Соединения перегородок и ребер жесткости несущей конструкции обеспечивают возможность монтажа в стесненных условиях и включения перегородок в работу. Взаимное скрепление готовых элементов перегородок осуществляют на монтажных предусматривают отверстия
болтах. В листах горизонтальных перегородок для пропуска гидравлических труб и желобов
для спуска породы.
Выдвижные платформы (см. рис. 287) представляют собой листы, усиленные с двух сторон уголками. Уголки входят в направляющие, жестко соединенные с горизонтальными перегородками. С передней частью каждого листа скреплен швеллер, являющийся упором для одного или двух платформенных домкратов. Этот упор служит также для крепления породы в забое, поэтому он дополнительно усилен ребрами жесткости.
Платформы выдвигаются домкратами постепенно, по мере разработки породы перед щитом на ширину кольца обделки. Благодаря наличию выдвижных платформ в процессе проходки поддерживается непрерывный контакт с забоем и обеспечивается полная независимость работ в отдельных ярусах щита.
Выдвижные платформы предусматривают на всех горизонтальных перегородках в пределах каждой рабочей ячейки. При этом каждую широкую платформу средних ячеек во избежание перекосов перемещают двумя домкратами, а платформу боковых ячеек — одним домкратом.
За расчетную нагрузку на платформу принимают вес 2 чел. с инструментом и вес породы объемом до 0,5 м3.
Защитные листы помещают по всему внутреннему контуру несущей конструкции или только в нижних ячейках для облегчения работы щита методом врезания и для предохранения щитовых домкратов.
Принцип расчета. Несущая конструкция щита работает в условиях тяжелого режима под воздействием горного давления и непредвиденных динамических усилий, возникающих при перекосах щита. Поэтому в качестве расчетной принимают так называемую аварийную нагрузку, определяемую весом столба породы (высотой не более 50 м). Эту нагрузку расределяют равномерно по горизонтальной проекции щита (включая оболочку) на совместно работающие ножевое и опорное кольца.
Соединение перегородок с кольцевой конструкцией рассматривается как шарнирное. В расчет включаются только горизонтальные перегородки, работающие на растяжение; вертикальные ставят конструктивно.
Щит рассчитывают как плоскую систему методами строительной механики с использованием условий симметрии нагрузок и конструкции. Сечения отдельных литых элементов подбирают главным образом исходя из возможности их заводского выполнения (толщина элементов должна быть не менее 20 мм). Это приводит в ряде случаев к недостаточному использованию материала, но должно рассматриваться как компенсация неучтенных воздействий.
§ 84. ЩИТЫ МАЛЫХ ДИАМЕТРОВ
Наравне со щитами средних и больших диаметров имеют широкое применение щиты с малыми размерами поперечного сечения (наружным диаметром 3,6; 3,0; 2,6 м) преимущественно для сооружения коммунальных и гидротехнических тоннелей.
Рис. 293. Общий вид щита диаметром 3 м
Щит диаметром 3 м (рис. 293), впервые примененный в Советском Союзе на строительстве тоннелей коммунального хозяйства, представляет собой сборную из литых элементов конструкцию с двуслойной оболочкой 2, перекрывающей щит на всю его длину. Ножевая часть 3 и опорное кольцо 4 состоят из шести стальных элементов. Для повышения жесткости щита между основными частями несущей конструкции помещается диафрагма.
К основным особенностям щита от
носится выдвижной козырек 1 (аванбек), приводимый в действие четырьмя гидравлическими домкратами.
При конструировании щитов малых диаметров предусмотрена заводская сборка. Щит массой 19 т опускают через ствол шахты в собранном виде.
Щит диаметром 2,6 м (рис. 294) в отличие от ранее рассмотренного пред-
ставляет цельносварную конструкцию, которую можно рассматривать как прототип современных щитов.
Оболочка щита 1 входит в состав несущей конструкции, с внутренней стороны которой помещаются три кольцевые диафрагмы 2, образующие ножевое и опорное кольца. В плоскости передней кольцевой диафрагмы имеется съемное сплошное ограждение с приемным отверстием 3 размером 250 х 250 мм для проходки в условиях плывунных пород. В диафрагме имеются запираемые двери размером 650 х 900 мм. Эти двери могут быть открыты для доступа к/забою и уборки валунов. При проходке в устойчивых породах все лобовые ограждения могут быть сняты.
С целью механизации работ в щите предусмотрена возможность установки проходческой машины, поэтому в лобовой диафрагме имеется одно отверстие 4 для рабочего вала, другое — для транспортера, а в опорном кольце — горизонтальные балки для крепления машины.
В кольцевых диафрагмах предусмотрены отверстия для пропуска и крепления щитовых домкратов.
Общая масса щита (с домкратами) около 14 т. Щит перевозят и опускают в ствол шахты в собранном виде.
Рис. 294. Конструкция щита диаметром 2,6 м
§ 85. ПОЛУЩИТЫ И СВОДЧАТЫЕ ЩИТЫ
Для проходки тоннелей в смешанных породах — крепких внизу и мягких или неустойчивых наверху разрабатываемого сечения тоннеля, а также для реконструкции эксплуатируемых тоннелей рационально применять щиты незамкнутого профиля так называемые полущиты. Полущит представляет собой подвижную стальную крепь, имеющую форму верхней части поперечного сечения тоннеля.
Основанием для полущита могут служить естественная порода, тщательно подрабатываемая перед каждой передвижкой полущита, монолитные опоры, предварительно сооружаемые в штольнях или тоннелях небольшого диаметра, искусственные сборные конструкции, возведенные при проходке боковых тоннелей, а также стены реконструируемых тоннелей.
Проходческие работы в верхней части сечения тоннеля ведут под защитой металлической конструкции полущита. Нижнюю часть сечения при наличии опор разрабатывают по схеме обычного открытого способа с применением средств крупной механизации, что и относится к достоинствам этого способа. Монтажные работы осуществляют последовательно в верхней и нижней частях или одновременно по всему сечению.
Для проходки тоннелей больших пролетов, например односводчатых станций метрополитенов, могут быть применены полущиты эллиптического или коробового очертания. Предварительно в направляющих штольнях или тоннелях, располагаемых параллельно основной выработке, должны быть возведены опорные стены. Такие тоннели могут быть пройдены обычными или механизированными щитами диаметром 3 — 5 м и закреплены облегченной обделкой. Опорные стены войдут в состав конструкции будущей станции.
После сооружения и выстойки стен приступают к проходке полущитом с частичной разборкой обделки боковых тоннелей. Разработка ядра обычно ведется после окончания всех монтажных работ.
В отечественной практике полущиты применялись при сооружении станций метрополитенов глубокого заложения и при реконструкции железнодорожных тоннелей. Зарубежная практика имеет ряд примеров применения полущитов для сооружения крупных городских тоннелей и подходов к подводным тоннелям пролетом до 15 м.
Полущиты могут найти применение при сооружении перегонных тоннелей, станций метрополитенов различного типов, а также тоннелей больших поперечных сечений любого назначения.
Сводчатые щиты могут быть применены для реконструкции эксплуатируемых и проходки новых транспортных тоннелей подковообразного очертания х.
Полущит для проходки средней части станции метрополитена колонного типа (рис. 295) представляет собой стальную сборную подвижную крепь в виде арки с затяжкой из укрупненных элементов сварной конструкции.
К основным элементам полущита относятся: оболочка /.опорная арка 2сзатяжкой 3, служащая одновременно и платформой для разборки забоя, перегородки 4, работающие как подвески и делящие полущит на отдельные ячейки.
Вертикальные перегородки, состоящие из листа (6 = 30 мм), усиленного уголками, служат опорами для крепления забоя посредством гидравлических домкратов.
Опорная арка делит полущит по длине на хвостовую и ножевую части. Первая образуется сводчатой оболочкой, а вторая — той же оболочкой, но усиленной треугольными ребрами жесткости, приходящимися против каждого щитового домкрата. Для возможности монтажа полущита в стесненных подземных условиях и удобства транспортных работ конструкция оболочки, опорной арки и затяжки выполняется из укрупненных элементов, собираемых на болтах.
Оболочку и опорную арку составляют из шести-семи монтажных элементов, включающих по два щитовых домкрата. Каждый монтажный элемент представ-
1 Предложение и разработка автора, 1959 г.
ляет собой коробчатую сварную конструкцию, снабженную по краям ребрами жесткости и средней диафрагмой из стальных листов (б = 22 4- 30 мм).
В опорных элементах помещают продольные диафрагмы (б = 30 мм), служащие местом прикрепления затяжки. Затяжка состоит из шести—восьми швеллеров (№ 24 — 26), покрытых листовой сталью (б = 20 4- 22 мм) и образующих рабочую площадку.
Опорные части полущита имеют шарниры, обеспечивающие равномерное давление на катки при любых перекосах последних. Опорную плоскость 5 под катки 6 создают при помощи стальных подкладок, укладываемых на строганых плоскостях фасонных тюбингов боковых тоннелей через клинья. После каждой передвижки полущита подкладку, состоящую из трех частей, и два катка переносят в ножевую часть.
При сооружении двух- и трехсводчатых станций метрополитенов, а также автодорожных и городских тоннелей может быть применена конструкция полущита полуциркульного очертания. В такой конструкции возможно использование опорных частей как каткового, так и скользящего типа. Последние выполняются в виде пакета продольных балок с накладным листом и применяются в пластичных породах.
В отличие от щитов кругового очертания нижняя лотковая часть сводчатых щитов (рис. 296) может быть прямолинейной. Нож, опорную часть и оболочку выполняют из укрупненных элементов сварной конструкции из листовой стали, соединяемых на точеных болтах; иногда нож и опорную часть изготовляют из литого чугуна.
В дальнейшем возможно придание сводчатым щитам геометрически изменяемых форм, приспосабливаемых к местным условиям, и их оснащение средствами механизации проходки.
§ 86. ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЩИТОВ
Щитовые гидравлические домкраты. Эти домкраты (рис. 297) служат для периодического перемещения щита по мере возведения колец тоннельной обделки. Домкраты расположены в опорном кольце равномерно, что обеспечивает правильное ведение щита по заданной трассе. Как исключение, при проходке в неустойчивых породах допускается размещать большее число домкратов в нижней части щита.
Щитовой гидравлический домкрат (рис. 297, а) состоит из стального цилиндра 2 с фланцем 3, при помощи которого осуществляется его крепление к стенке опорного кольца. Расположение оси домкрата должно быть строго параллельно оси щита, что обеспечивается введением цилиндрической выточки 6 домкрата в отверстие противоположной стенки опорного кольца.
Со стороны рабочей полости домкрата имеется съемное днище 5, позволяющее регулировать уплотнение поршневых колец, не удаляя домкрат из щита, благодаря чему значительно сокращаются сроки ремонтных работ.
В состав домкрата входит плунжер / с поршнем 4, на который надета система поршневых колец и кожаных манжет, обеспечивающая требуемую степень уплотнения, что предотвращает попадание жидкости при высоком ее давлении из рабочей полости в нерабочую. Кольца вместе с манжетами прижимаются к торцу выточки плунжера при помощи гайки, навинченной на конец плунжера. Плунжер проходит через передний фланец цилиндра, который также имеет уплотнение. В состав такого уплотнения входят: направляющая втулка, сальниковая набивка и прижимная втулка, напрягаемые при помощи фтанца на шпильках.
Для подачи к домкрату рабочей жидкости в цилиндре имеются два отверстия — для прямого и обратного ходов. Таким образом, щитовой домкрат относится к гидравлическим машинам двойного действия. В качестве рабочей жидкости применяются вода с антифрикционными добавками, эмульсия и технические масла. Применение последних обеспечивает более продолжительную работу домкратов.
Гидравлические домкраты располагаются в щите таким образом, что их цилиндры при подаче жидкости двигаются вперед и тем самым перемещают весь щит. Опорой для плунжеров, находящихся в неподвижном положении, служит торцовая плоскость кольца тоннельной обделки. Для правильной передачи давления на обделку необходимо опорной части плунжера придавать форму, обеспечивающую равномерное обжатие кольцевых стыков обделки. Так, при обделке из блоков сплошного сечения передача усилия происходит приблизительно по оси домкрата, поэтому опорной части придают симметричную форму.
В случае применения обделки несплошного (ребристого) сечения опорной части плунжера необходимо придавать эксцентрическую форму, чтобы давление передавалось по возможности ближе к оболочке обделки во избежание излома ее ребер. Так как в этом случае сам плунжер подвергается изгибу под влиянием изгибающего момента, то необходимо учитывать это обстоятельство при назначении длины направляющей втулки и диаметра плунжера.
Для обеспечения правильного опирапия домкрата на торцовую плоскость обделки любого типа в случае некоторых перекосов щита целесообразно применять шарнирное соединение опорной подушки с концом плунжера.
Обычно к опорной части плунжера прикрепяются стальные полосы для удержания раствора, нагнетаемого на обделку. При выдвижении всех домкратов эти полосы образуют полное кольцо, закрывающее строительный зазор между обделкой и щитом.
Забойные и платформенные домкраты. Эти домкраты (рис. 297, б) представляют собой гидравлические машины двойного действия. Конструктивно домкраты выполняются так, что при передвижке щита онн находятся под гидравлическим давлением, но превосходящая сила щитовых домкратов принудительно перемещает плунжеры забойных домкратов в их цилиндры, вытесняя жидкость. Благодаря этому обеспечивается постоянное и равномерное давление на забой.
В каждой рабочей ячейке щита обычно размещают четное число домкратов, что обеспечивает удобное и надежное крепление забоя. Как исключение, в угловых ячейках, где недостаточно места, можно применять нечетное число домкратов. Эго, однако, затрудняет ведение работ по перекреплению забоя. При проходке в породах, не требующих крепления забоя, забойные домкраты вообще не ставят.
Назначение платформенных домкратов — перемещать выдвижные платформы. По конструкции забойные и платформенные домкраты аналогичны щитовым домкратам, но по характеру работы и распределению жидкости они существенно отличаются. Так, в щитовом домкрате (см. рис. 297, а) при прямом ходе жидкость подается только в рабочую полость. При этом развивается давление Рп, равное произведению напряжения жидкости q на площадь поперечного сечения F, т. е. Ра = qF.
Вытесняемая из нерабочей полости жидкость не оказывает существенного сопротивления.
При обратном ходе соответствующее давление Fo6 на кольцевую площадь поршня f в нерабочей плоскости определяется из выражения Роб = qf. Обычно по конструктивным соображениям принимают f = 0.25F.
Для забойного домкрата должно быть соблюдено основное условие — возможность принудительного осаживания плунжера домкрата прн перемещении щита. Эго обстоятельство предопределяет непрерывную гидравлическую связь между рабочей и нерабочей полостями домкрата. Ввиду этого при прямом ходе домкрата жидкость одновременно имеет доступ к обеим полостям и оказывает двустороннее давление на поршень, имеющий неравные площадки поперечного сечения^ и /3. В результате движущая сила домкрата может быть определена как разность давлений, т. е.
P3 = <}(F3-f3). (246)
Энергоснабжение. Щитовые и забойные домкраты, работающие независимо друг от друга, должны, как правило, снабжаться энергией от двух независимых источников.
Требуемое давление рабочей жидкости щитовых домкратов обеспечивается от энергетической установки — насосной станции, располагаемой в пределах тоннеля на вспомогательной тележке или непосредственно на самом щите. Интенсивность давления в гидравлической сети зависит от геологических условий, где ведется щитовая проходка, а также от намечаемых способов производства работ.
В случае использования щита как агрегата, срезающего мягкую породу или вытесняющего разжиженную породу с частичным впуском ее внутрь тоннеля, давление рабочей жидкости принимают до 350 — 400 кгс/см2 и выше. В обычных условиях ограничиваются величиной 150 — 200 кгс/см2.
Для приведения в действие забойных и платформенных домкратов достаточно давление жидкости 35 — 50 кгс/см2. При проходке в неустойчивых породах, где должно быть обеспечено непрерывное крепление забоя, в качестве источника энергии применяют специальную гидронапорную установку, поддерживающую постоянное давление в сети посредством промежуточного грузового аккумулятора. Последний получает рабочую жидкость от насоса. Нагнетаемая жидкость, оказывая давление на плунжер, поднимает его вместе с грузом в верх-306
Рис. 298. Гидравлическая сеть высокого (а) и среднего (б) давления
нее положение. После автоматического выключения насоса груз опускается, создавая этим постоянное давление заданной интенсивности. Для уменьшения габаритов установки, помещаемой непосредственно в тоннеле, можно использовать пневматический аккумулятор.
При проходке в породах, не оказывающих активного давления на забой, т. е. там, где применять забойные домкраты не нужно, питание платформенных домкратов может быть осуществлено от основных насосов. Для этого необходимо устройство дополнительного ответвления трубы с дроссель-клапаном.
Гидравлические насосы высокого давления, применяемые при щитовой проходке, имеют сравнительно небольшие размеры, поэтому их устанавливают на вспомогательной тележке или непосредственно в рабочей ячейке щита. Требуемая производительность насоса зависит от числа и размеров обслуживаемых домкратов и находится в пределах 5000— 15000 ат-л/мин.
Гидравлическая сеть и аппаратура. Гидравлические трубы служат для подвода напорной жидкости к щитовым и вспомогательным насосам и для возврата отработавшей жидкости к насосам.
В соответствии с назначением домкратов гидравлическую сеть (рис. 298) в зависимости от давления разделяют на две системы — систему высокого давления и систему среднего давления. Первая образует замкнутый цикл работы жидкости — от насосов до щитовых домкратов и обратно; вторая — от напорной установки до вспомогательных домкратов и обратно.
Сеть высокого давления (рис. 298,а) представляет собой систему труб, идущих от насосов, расположенных на тележке (или на щите), до пусковых и регулирующих клапанов на щите и далее до каждого щитового домкрата. Первую часть пути жидкость проходит по шарнирному стальному шлангу, располагаемому между тележкой и щитом, поступает к приемному фланцу 3 гидропровода высокого давления на щите, далее проходит через предохранительный клапан 4, главный трехходовой клапан 5 и распредели
тель 6 с вентилями по числу обслуживаемых им домкратов, откуда по трубам / поступает в рабочие полости щитовых домкратов 7.
Для обеспечения прямого хода домкратов ставят в требуемое положение шпиндель трехходового клапана и соответствующие домкратам вентили. При этом жидкостью могут быть заполнены рабочие полости всех домкратов, группы домкратов или любого одного домкрата, что и создает возможность управления щитом.
Для возвращения плунжера в исходное положение необходимо подать жидкость в нерабочую полость домкрата, откуда направить ее через трехходовой клапан в сливную сеть. Прн одном трехходовом клапане нельзя осуществить одновременное движение одной группы домкратов в направлении прямого хода (что соответствует процессу обжатия уложенных элементов обделки), а другой— в направлении обратного хода для укладкн очередного элемента обделки, так как при любых переключениях рабочая жидкость поступает через этот клапан.
Со стороны нерабочей полости 10 каждого щитового домкрата ответвляется труба 9 к соединительному звену 8, расположенному на общей трубе, по которой жидкость поступает к трехходовому клапану по соединительной трубе 2.
Сеть среднего давления (см. рис. 298, б) представлена системой труб с соответствующими клапанами, располагаемых между гидронапорной установкой и вспомогательными домкратами. Жидкость поступает к щиту по трубам с шарнирным устройством на последнем звене, которое примыкает к приемному фланцу 11. Отсюда по трубам 12 жидкость подается через распределители 15, вентили 14 и трубы 19 к золотниковым переключателям 18. Жидкость поступает далее к каждому домкрату по трубам 16 и 20. По тем же трубам жидкость возвращается через золотниковый переключатель и по трубе 17 поступает в общую обратную трубу 13 и далее к гидронапорной установке.
Рис. 299. Золотниковый переключатель
Золотниковый переключатель (рис. 299) предназначен для распределения жидкости среднего давления, поступающей в цилиндры вспомогательных домкратов при прямом ходе, а также для выпуска жидкости при обратном ходе плунжера.
Принципиальная схема устройства переключателя включает диск 5 с четырьмя отверстиями 1, 2, 3 и 4. Из них последние три совпадают с пазом, по которому передвигается золотник 6 при помощи рукоятки с эксцентриковой передачей. Этот золотник в зависимости от его положения — I, II, Ш — перекрывает ту илн иную группу отверстий в пазу. Через отверстие I, всегда открытое, жидкость поступает к переключателю. Отверстия 2 н 4 служат для сообщения жидкости соответственно с нерабочей и рабочей полостями домкратов. Отверстие 3 ведет к сливной трубе.
При таком распределительном устройстве обеспечивается прямой ход плунжера за счет разности давлений жидкости, поступающей одновременно к обеим сторонам поршня. Плунжеры домкратов могут упруго осаживаться в цилиндры без потерн напряженного состояния системы. Управление вспомогательными домкратами располагается в каждой ячейке щита и осуществляется отклонением рукоятки переключателей в требуемую сторону.
Глава 21
МЕХАНИЗИРОВАННЫЕ ЩИТЫ И ПРОХОДЧЕСКИЕ МАШИНЫ
§ 87. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В комплексе строительно-монтажных работ при сооружении тоннелей особое значение имеют механизация и индустриализация подземных работ. Основная и весьма сложная задача заключается в активизации головного агрегата — щита при проходке в крепких, пластичных, сыпучих, плывунных и смешанных породах путем оснащения его механизированным оборудованием.
Не следует рассматривать один и тот же щит как универсальное орудие для проходки разнообразных пород. Для каждой группы пород должен быть подобран вид оборудования щита. Трудность такой задачи заключается в выборе оптимального в технико-экономическом решении метода механического воздействия на горные породы с точки зрения затрат энергии на 1 м3 породы, износа режущих приборов, режима работы проходческой машины и т. п. Главная задача сводится к тому, чтобы полностью освободить человека от выполнения трудоемких и тяжелых процессов разработки породы.
Наибольшую трудоемкость для механической разработки представляют крепкие и смешанные породы, в которых рабочий орган машины не имеет постоянного режима. При механизированной разработке пород рабочий орган внедряется в породу под действием осевого давления или усилия подачи, и затем происходит разрушение породы. При разработке крепких пород при 7?пр > > 600 кгс/см2 эффективен ударно-вращательный способ работы, при котором к статическому усилию подачи двигающегося с постоянной скоростью орудия добавляют периодические удары (принцип пневматического молотка).
Теоретическими исследованиями и опытными работами установлены следующие существенные преимущества ударно-вращательного способа работ перед вращательным. Возможность более длительной работы орудия (резца) до его затупления, более высокая производительность и к. п. д. машины. Соответ-
ственно с этим могут быть приняты меньшими габариты механизмов, расход энергии и мощность двигателей.
В крепких породах также рационально применять машины, работающие по принципу крупного скола, так как предел прочности пород на скалывание в десятки раз меньше предела прочности на сжатие.
При разработке пластичных и некрепких пород износ орудия при работе невелик, поэтому может быть применен вращательный режим.
Разработаны и частично испытаны щиты, работающие по первому принципу. В них применяются проходческие орудия, динамически воздействующие всей системой резцов или каждым в отдельности при контакте машины с забоем. Имеются механизированные щиты, в которых доля резания породы составляет лишь 10%, а скалывание — 90%.
ЦНИИСом предложена классификация механизированных щитов, приведенная на стр. 309.
§ 88. МЕХАНИЗИРОВАННЫЕ ЩИТЫ И АГРЕГАТЫ ДЛЯ ПРОХОДКИ В КРЕПКИХ ПОРОДАХ
Механизированная разработка забоя на полное сечение наиболее полно отвечает современным требованиям тоннелестроения, как гарантирующая точное оконтуривание выработок и обеспечивающая сохранность массива. При этом применяют мощное крупногабаритное оборудование и машины, обеспечивающие высокие скорости строительства.
Механизированную проходку тоннелей в скальных породах можно проводить как на полное сечение, так и последовательно, т. е. по частям. К более совершенным принадлежат машины, обеспечивающие разработку породы по всему забою выработки. В состав комплекса механизмов входят: проходческая машина, устройство для перемещения породы и улавливания пыли.
Проходческие машины имеют в своем составе рабочий орган, поддерживающее и опорное устройства, находящиеся под защитой головного козырька или оболочки щита.
Для разработки породы применяют различные орудия, смонтированные на рабочем органе машины, которые по направлению их действия могут быть подразделены на две группы:
1) действующие в направлении проходки;
2) действующие перпендикулярно направлению проходки.
К первой группе относятся ножи, режущие зубья, пики, шарошки (зубчатые, дисковые).
При вращении рабочего органа эти орудия с кромкой из твердых сплавов образуют в скальной породе концентрические пазы, промежутки между которыми скалываются под действием ножей или дисковых шарошек. Дисковые резцы имеют режущие кромки трех типов (рис. 300) — продольный (а), кольцевой (б) и ступенчатый (в), применяемые в различных породах с соответственно возрастающей крепостью.
Зубчатые и дисковые шарошки (см. рис. 305) служат для разработки средних и относительно крепких пород. При проходке в крепких и хрупких породах применяет шарошки, снабженные выступами из твердого металла.
Вследствие статического и динамического воздействия надавливания и вращения зубья шарошек проникают в забой, непосредственно откалывая куски
породы или создавая предварительные трещины и поверхности разрушения с последующим отколом. При вдавливании в хрупкую породу шарошек с выступами вокруг последних возникают перенапряжения породы, в результате чего образуются трещины и поверхности разрушения, по которым и происходит отрыв мелких кусоков породы.
Рис. 300. Дисковые резцы
Ко второй группе относятся ножи или зубья для снятия поверхностного слоя, а также фрезерные диски с режущими пластинами. Ножи и режущие пластины могут быть смонтированы на лучах рабочего органа или по периметру фрез. Ножи располагают под небольшим углом к плоскости лучей, а фрезы — к плоскости забоя (см. рис. 303).
При одновременном вращении в противоположных направлениях рабочего органа и фрез режущие пластины описывают по поверхности забоя циклоиды, а фрезы врезаются в забой, вследствие чего и происходит разрушение породы. Такой вид разрушения тождественен снятию стружки при обработке металла, но с немедленным ее распадом.
К основным недостаткам подобных машин относится большое пыле-образование, требующее применения специальных фильтрационных и пылеулавливающих устройств для обеспечения нормальных условий работы.
Цикл работы большинства проходческих машин состоит из двух периодически повторяющихся процессов — собственно проходки и подтягивания опорного устройства. Это можно проследить по схеме (рис. 301), где показаны три характерных этапа — начало проходки, конец проходки и подтягивание опорного устройства. Сущность работы такой машины заключается в следующем: рабочий орган с фрезами вращается вокруг оси проходческой машины с одновременной его подачей к забою при помощи гидравлических домкратов, опирающихся на устройство, распертое в породу радиальными домкратами.
После полного выдвижения горизонтальных домкратов опорное устройство освобождается; при неизменном положении рабочего органа перемещается вперед до исходного положения и снова закрепляется. Такие процессы периодически повторяются.
В мировой практике имеются примеры применения разнообразных по конструкции и способам разработки породы проходческих машин для сооружения тоннелей различного назначения. К подобным машинам следует отнести буровую машину, предназначенную для проходки тоннелей малых
Рис. 303. Расположение фрез на буровой машине:
диаметров в крепких породах. Принцип ее действия основан на заанкерова-нии в забое опережающей штанги и подтягивании к ней машины, разрабатывающей забой. Штангу после пробурирования ею скважины диаметром 20— 40 см заанкериваютпри помощи гидравлической манжеты, удерживающая сила которой достигает 450 тс (рис. 302). После заанкерования осуществляют проходческий цикл — разработку на полный профиль при помощи вращающейся планшайбы, снабженной шарошечными резцами, погрузку и уборку породы.
Проходку тоннелей средних и больших диаметров осуществляют машинами с использованием режущего органа в виде фрезы. Форма, размеры и расположение на фрезах специальных укороченных резцов зависят от крепости пород.
В качестве примера может служить проходческая машина (рис. 303), имеющая центральную фрезу, выбуривающую цилиндрическую полость диаметром 70 см.
Последующее расширение этой полости ведут четырьмя фрезами большего диаметра. Всю планшайбу подают вперед четырьмя домкратами, опирающимися в породу через радиальные упоры. Породу погружают в вагонетки скребковым конвейером.
Другое конструктивное решение проходческой машины для крепких пород (7?пр = 1000 кгс/смг) основано на компоновке трех основных элементов — рабочего органа, внутренней рамы, наружной рамы (рис. 304).
Рабочий орган (D = 6,0 ч- 6,35 и 6,5 м) через главный подшипник опирается на наружную раму. Пять электродвигателей б мощностью по 200 л. с., закрепленных на наружной раме, передают крутящий момент на зубчатое колесо привода рабочего органа, вращающегося со скоростью 3,5 — 5 об/мин.
Головная часть машины 1 оснащена 44 роликовыми конусообразными ножами с двумя — четырьмя зубчатыми дисками, 12 ковшами 2 для подъема и перегрузки на транспортер и устройством для отсоса пыли 3.
Основой конструкции машины служат внутренняя неподвижная при бурении и распираемая в стены тоннеля рама и наружная рама, несущая рабочий орган и скользящая во время проходки по внутренней раме. Распор внутренней рамы осуществляется посредством восьми башмаков 5 гидравлическими домкратами, расположенными по четыре на переднем и заднем концах рамы.
Наружная рама при помощи четырех 150-тонных гидравлических домкратов 10, опирающихся на внутреннюю раму, оказывает давление на забой. Рама имеет четыре опорные плиты 9 с гидравлическими домкратами; на ней расположены кабина управления 7, экраны для улавливания луча лазера 4 и ленточный транспортер 8.
Проходка этой машиной происходит таким образом, что после бурения тоннеля наружную раму устанавливают на свои опорные плиты и распор внутренней рамы прекращается. Внутреннюю раму послеэтого подтягивают домкратами па 1,5 м сквозь неподвижную наружную раму и снова распирают. После оттягивания опорных плит наружной рамы машина снова готова к работе.
При помощи этой машины могут быть пройдены тоннели диаметром 6,05; 6,35 и 6,50 м. Изменение диаметра выполняют выпрямлением или складыванием
Рис. 304. Схема основной части проходческой машины ХЬЮЗ-ТУЛ
шести держателей буровых инструментов, расположенных по периметру рабочего органа. По опубликованным данным, скорость проходки такой машиной составляет 16 пог. м/сутки.
В состав рабочих органов некоторых машин входят вращающиеся резцы и шарошки. Одна из таких машин (ФРГ) имеет 12 роликовых резцов-шарошек большого диаметра, помещенных на планшайбе диаметром 4 м (рис. 305). В центральной части последней эксцентрически расположены две буровые головки, оснащенные девятью или десятью роликовыми резцами каждая.
Эти резцы вращаются вокруг собственных осей, а также вместе с буровой головкой и планшайбой. В результате этого они осуществляют сложное движение — по циклоиде.
Разрабатываемую породу поднимают ковшовыми устройствами, закрепленными на планшайбе, и перегружают через транспортер в вагонетки.
Поступательное перемещение всей машины и восприятие усилий подачи осуществляют при помощи распорных устройств и домкратов. Усилие подачи в машинах с вращающимися шарошками должно быть значительным, так как требуется измельчение скальных пород с прочностью /?пр < 1800 кгс/см2.
В современных проходческих машинах предусматривают применение принципа крупного скола.
По этому принципу, в частности, работают машины Роббинса (США), предназначенные для проходки в крепких и средних породах. На лобовой планшайбе, вращающейся со скоростью 5 — 10 об/мин, расположены с разными углами наклона осей дисковые резцы диаметром 150 — 160 см (рис. 306).
Двигатели и домкраты для подачи планшайбы смонтированы на опорной раме машины. Крутящий момент от вращения
Рис.
305. Проходческая машина с роликовыми резцами (ФРГ):
1—30 — порядковые номера резцов
Рис. 307. Проходческая машина D= 11,2:
Рис. 308. Передняя часть (а) и дисковые скалы-ватели (б) проходческой машины
планшайбы и реакцию от домкратов подачи воспринимай? гидравлические домкраты, опирающиеся через башмаки в боковые части тоннеля, а также поперечные ригели.
Всю машину подтягивают к планшайбе теми же домкратам?: подачи после снятия распора и поворачивают ее в горизонтальной и вертикальной плоскостях при помощи подвижных упоров.
Разработанную породу поднимают ковшовыми устройствами, перегружают на головной ленточный конвейер и далее —
на второй конвейер и в вагонетки. Устройства для установки элементов крепи помещают с тыловой стороны головной части машины.
Машина (рис. 307) имеет следующие параметры: мощность двигателей — до 1100 л. с., масса машины — до 225 т, усилие подачи — до 840 тс, скорость вращения планшайбы — до 10 об/мин. Машину обслуживают 2 — 5 чел. Производительность 0,6 — 3,5 пог. м/ч, или 6 — 25 м/смену.
Эти машины используют для проходки тоннелей диаметром до 11 м в породах прочностью 7?пр = 1200 -4- 1500 кгс/см2 и диаметром менее 7 м в породах прочностью 1800 кгс/см2.
Тоннелепроходческая машина Роббинса (рис. 308), предназначенная для механизированной проходки тоннелей диаметром 7,5 — 7,9 м в глинистых сланцах, состоит из двух главных частей— исполнительного органа и несущей конструкции. Передняя часть машины (см. рис. 308, а) расположена на опорном башмаке, скользящем по породе, а средняя — на двух передвижных рельсах тяжелого типа, передвигаемых на бетонных подкладках.
Всю машину передвигают вперед при помощи двух гидравлических домкратов, опирающихся на обделку. Исполнительный орган машины состоит из двух частей — внешней режущей головки с шестью периферическими лучами 1 и внутреннего диска с тремя лучевыми барами 2. Для уравновешения обе части вращаются в разные стороны. Скорость вращения диска 9 — 22 об/мин, а режущей головки 6—19 об/мин.
Главная особенность режущей части заключается в рациональном использовании двух принципов механического воздействия на породу — резания и скалывания.
Первоначальный вруб осуществляют резцами, образующими в забое заруб-ные концентрические круговые щели глубиной 150 — 200 мм. Суммарная поверхность этих врубовых щелей составляет всего лишь 10% поверхности забоя. Затем вступают в работу дисковые скалыватели (см. рис. 308, б), которые разрушают целики породы между врубами на крупные куски. Разработанная порода падает вниз, а затем ее погружают на транспортер при помощи черпаков, вращающихся вместе с наружной режущей частью.
Установленная мощность режущего органа машины — 295 кВт, средняя скорость проходки в глинистых сланцах — 12,4 пог.м/смену. При выборе машины необходимо руководствоваться главным образом свойствами горной породы (вязкость, хрупкость, твердость, трещиноватость, прочность на сжатие и срез) и опытными данными.
Зарубежный опыт применения тоннелепроходческих машин показывает, что они экономичны при разработке пород прочностью до 1400 — 1800 кгс/см2. При проходке тоннелей в породах более высокой прочности (например, в таких, как гранит, гнейс, базальт) пока более экономичен буро-взрывной способ. Чем больше длина тоннелей, тем эффективнее механизированная проходка по сравнению с немеханизированной.
§ 89. МЕХАНИЗИРОВАННЫЕ ЩИТЫ ДЛЯ ПРОХОДКИ В МЯГКИХ ПОРОДАХ
Для механизированных щитов, разрабатывающих мягкие слабоустойчивые породы (например, спондиловые глины), характерно применение планшайбы рабочего органа, используемой в необходимых случаях для крепления забоя. Рабочими инструментами служат строгающие пластины и стержневые резцы. Первые применяют для разработки влажных вязких пород, а вторые — для сухих мягких устойчивых пород с размещением тех и других непосредственно на планшайбе или на рабочих дисках — фрезах. Скорость резания породы пластинами при вращении планшайбы со скоростью 2—3 об/мин, как правило, мала. У резцовых рабочих органов скорость резания находится в пределах от 0,4 до 2,0 м/с, причем верхний предел относится к более мягким породам.
Подачу рабочего органа на забой осуществляют, как правило, независимо от щита при помощи специальных гидравлических домкратов. В отдельных случаях возможно перемещение вместе со щитом с использованием щитовых гидравлических домкратов, упирающихся в постоянную или временную крепь, а также в специальные распорные кольца.
Вместе с тем в более устойчивых мягких породах (например, кембрийские глины) находят применение автономные проходческие машины, ведущие разработку породы под защитой щита с открытым забоем.
Механизированные щиты для мягких пород, будучи широко распространены в мировой практике, очень разнообразны по конструкции и по способам разработки забоя и в ряде случаев являются индивидуальными опытными агрегатами, созданными для конкретных условий проходки. Отдельные конструкции полностью освоены и успешно применяются в определенных геологических условиях на многих тоннельных строительствах.
В Советском Союзе на основе отечественного и зарубежного опыта создан ряд конструкций механизированных щитов. К числу осуществленных в Советском Союзе проходческих машин со своеобразной кинематической схемой режущего органа, работающих по принципу вращательного режима, могут быть отнесены механизированные щиты, успешно примененные на проходке тоннелей Ленинградского и Московского метрополитенов (рис. 309).
Режущая часть ленинградского механизированного щита (рис. 309, о), предназначенного для проходки в сухих глинах, построена на принципе машин планетарного действия и имеет следующие элементы: неподвижную опорную станину с направляющими; корпус с главным приводом;
крестовину-водило; шесть дисковых фрез; выдвижной одиночный резец; погрузочное кольцо с ковшами; механизм подачи и аппаратуру управления.
Крестовину-водило подают вперед на забой масляным домкратом и приводят во вращательное действие через систему шестерен от электродвигателя. Мощность электродвигателя (100 кВт) передают на главный вал водила и главную (солнечную) шестерню, которая, вращаясь, приводит во вращение шестерни режущих дисков. В результате сложного движения резцы дисковых фрез описывают в пространстве удлиненную гипоциклоиду и при этом срезают и скалывают породу в забое.
Срезанную породу поднимают ковшами, вращающимися вместе с водилом, и далее через люк в диафрагме высыпают на ленточный транспортер, затем на второй транспортер внутри полого вала тюбингоукладчика и, наконец, на третий в пределах вспомогательной тележки. Таким образом, породу непрерывным потоком передают по системе транспортеров в бункер и далее в вагонетки.
Для укладки одного кольца обделки породу в забое разрабатывают в две заходки. Вначале разрабатывают породу выдвижением машины из щита на длину до 575 мм и режущую часть возвращают в исходное положение. Затем повторяют цикл резания, перемещая при этом весь корпус щита гидравлическими домкратами. По окончании передвижки щита укладывают кольцо обделки с одновременным резанием породы для новой заходки. Скорость проходки такой машины 12—15 пог. м/суткн.
Режущая часть московского механизированного щита (рис. 309, б) включает подвижную станину, корпус с главным приводом, водило с дисками и резцами, погрузочное кольцо с двусторонними ковшами, механизм подачи и аппаратуру управления. Вращение погрузочного кольца и дисков — реверсивное от двух одновременно действующих электродвигателей и системы передач, что предотвращает поворот корпуса щита относительно его продольной оси.
К корпусу привода жестко прикреплено солнечное зубчатое колесо, находящееся в зацеплении с приводными шестернями дисков, прокатываемыми по колесу. Каждый резец при этом совершает движение по удлиненной эпициклоиде. Весь исполнительный орган размещен на станине, передвигаемой гидравлическим домкратом со скоростью 8—10 мм/мин.
В результате вращательного действия водила и дисков при одновременном поступательном перемещении всей машины резцы разрушают породу, которую убирают при помощи ковшей, автоматически сбрасывающих поднятую породу через люк на лоток и далее на скребковый транспортер, расположенный в верхней части щита. После выдвижения исполнительного органа на длину до 550 мм машину перемещают в исходное положение и, передвигая щит, повторяют цикл резания.
Скорость проходки такой машины 10—12 пог. м/суткп.
Основные достоинства машины планетарного действия: одинаковая для всех резцов величина моментов резания; отсутствие реактивных моментов, приводящих к повороту щита относительно его продольной оси; малая чувствительность режущей части и электропривода к ударным воздействиям при встрече резцов с твердыми включениями; сравнительно небольшой удельный расход электроэнергии на разработку породы — от 3,2 до 4,0 кВт-ч на 1 м3 породы; высокий к. п. д. машины; равномерное изнашивание резцов — 30—60 г победита на 1 пог. м проходки.
К существенным недостаткам машины следует отнести ее сложность; значительное пылеобразование при резании как следствие излишнего дробления породы; изнашиваемость зубьев шестерен вследствие попадания пыли; ограниченность применения таких машин условиями невысокой прочности пород — от 50 до 250 кгс/см2 с отдельными включениями прочностью до 500 кгс/см2 (московский щит) и отсутствием вязкости проходимых пород.
Для проходки в мягких породах (глинах) может быть применен режущий аппарат роторного типа (рис. 310). На многолучевой вращающейся крестовине 3 закреплены: центральная фреза 5, резцы 2, отвалы 4 и ковши 1. Резцы и отвалы 316
размещены на разных расстояниях от центра, что обеспечивает разработку всей плоскости забоя.
Ковши размещены по концам каждого луча и имеют назначение поднимать разработанную породу с нижней части забоя в верхнюю и высыпать ее в наклонный бункер 6, из которого породу впоследствии перемещают по наклонному лотку 7 через щит в тоннель.
Для приведения режущей части но вращательное действие используют электро- или гидропривод. Электропривод осуществляют от двигателя, помещенного в щите, через систему
шестеренных передач к зубчатому Рис 310 Щит с рабочим
органом ротор-
зенцу с внутренним зацеплением, пого типа
жестко связанному с режущей частью.
При этом поступательное перемещение (подачу) машин вместе со щитом осуществляют при помощи щитовых домкратов. Скорость вращательного движения машины 1,5—2,0 об/мин, поступательного — 0,1 м/мин.
К недостаткам электрического привода следует отнести: трудность управления машиной вместе со всем щитом; близость передаточных механизмов
к забою, что создает тяжелый режим работы передач; невозможность совмещения двух операций — проходки и укладки обделки.
При гидроприводе 1 все движения машины (вращательное и поступательное) и щита могут быть осуществлены от одного источника — гидравлического
насоса высокого давления, помещенного в щите с возможностью регулирования в широких пределах крутящего момента, скорости вращения и осевой силы подачи.
Преимущества гидравлического привода: независимое от щита поступательное перемещение (подача) машины при помощи гидравлического домкрата, помещенного в теле вала машины; автоматизация регулирования осевой силы подачи и момента резания щита при помощи специального прибора; вращательное движение от специального двигателя и храповых колес или от гидромуфты; возможность совмещения процессов резания породы и сборки обделки.
Описанные машины послужили основой многих современных проходческих агрегатов.
Гидравлические приводы (рис. 311), работающие по принципу храповых колес 3, соосных с рабочим валом 1, приводимых в действие гидроцилиндра-ми, практически применены Главтоннельметростроем для механизированных щитов большой мощности (D = 3,6 и 5,56 м). Вращение рабочего органа щита вместе с его главным валом происходит импульсно. Управление гидроцилиндрами—от двух распределителей; питание—от двух гидравлических насосных установок при давлении в системе до 200 кгс/см1 2. Рабочий орган щита в виде конусовидного вращающегося ротора 2 с двухзаходной винтовой поверхностью2, оснащенной пластинчатыми и стержневыми резцами, имеет независимое от щита перемещение до 400 мм.
Конструкция щита состоит из восьми литых элементов опорно-ножевого кольца, соединенных болтами, и двух горизонтальных перегородок (см. рис. 311). На верхней перегородке расположены пульт управления щитом и гидроаппаратура; на нижней — рабочий орган с гидравлическим приводом гидросистемы подачи на забой (два гидравлических домкрата с ходом до 100 мм и опорные части скребкого конвейера).
1 Заявка В. П. Волкова № 13464 от 11/1 1938 г.
2 Аналогично предложению инж. Г. С. Каханова, 1936 г.
Рис. 311. Гидроприводный щит (Главтоинельметростроя)
Рабочий орган оснащен средствами для проходки в мягких и средней крепости породах. В первом случае лобовая часть закрывается и оснащается пластинчатыми резцами,,во втором случае используются стержневые резцы при частично раскрытой лобовой части. Имеются также специальные резцы для подрезки профиля выработки и ее уширения на кривых.
На лобовой части размещены погрузочные ребра-ковши для подъема и перемещения разработанной породы на скребковый конвейер и соответствующие приемные окна с подгребающими ножами; кроме этого, по контуру ножевого кольца закреплены опорные катки.
Разработку с одновременным закреплением породы в забое осуществляют режущим органом в виде планшайбы, снабженной радиальными резцами. Такой проходческий агрегат (рис. 312), вмонтированный в щит, разработан и применен для строительства перегонных тоннелей в мягких глинах (киевский щит). В его состав входят: рабочий орган в виде планшайбы 1 с резцами в радиальных прорезях и направляющими лотками; транспортер 2; механизм вращения 3 и подачи 4\ аппаратура
управления.
Стальная, плоская со стороны забоя, ребристая планшайба, закрывающая всю площадь забоя, имеет с противоположной стороны закрытые короба, по которым разработанная порода поступает на транспортер. Четыре двусторонних резца, установленных в прорезях секторов планшайбы, срезают при вращении последней слой породы со всей площади забоя. Конструкция рабочего органа приспособлена к работе щита в вязких породах.
Для обеспечения от заклинивания планшайбы при вывалах породы в забое предусмотрена возможность ее возвратно-поступательного перемещения на 400—500 мм посредством торцового гидравлического домкрата.
Основное преимущество такого агрегата заключается в
том, что резание крупной стружки и ее дальнейшая погрузка на транспортер обеспечивают от склеивания частиц породы. Вращение планшайбы может быть выполнено как от электропривода, так и от системы гидравлических домкратов; вращение — реверсивное. Скорость проходки 12—15 пог. м/сутки.
В целях приспособления такого щита для проходки в менее устойчивых породах необходимо разместить планшайбу с приводной установкой внутри щита таким образом, чтобы она при всех рабочих положениях находилась под защитой ножевой части.
Режим работы механизированного щита складывается из: а) частичного врезания щита по контуру ножевой части с одновременным перемещением планшайбы в обратном направлении; б) разработки породы вращением планшайбы и ее возвращения в первое исходное положение. Эти чередующиеся процессы повторяют до тех пор, пока не будет подготовлено место, необходимое для укладки кольца обделки.
Для проходки перегонных тоннелей Гамбургского метрополитена (D = 5,4 м) в неустойчивых породах был применен механизированный щит системы Баде — Хольцмана с мощной планшайбой, обеспечивающей крепление забоя усилием 25 тс/м2. Планшайба, имеющая 8 радиальных балок, оснащенных ножами (или стержневыми резцами), совершает маятниковое движение с амплитудой 50°. Привод — гидравлический от четырех домкратов, развивающих вращающий момент 650 тс«м.
Подача рабочего органа на забой усилием 650 тс достигается другими четырьмя гидравлическими домкратами на величину 40 см, из них впереди ножа щита 10 см, а под защитой ножа при проходке в неустойчивых породах — до 30 см.
В зависимости от степени устойчивости пород секторообразныс участки между рабочими балками могут закрываться частично или полностью специальными вставками, что позволяет регулировать размер щели в пределах от 5 до 20 см перед рабочим инструментом. Скорость проходки до 8—9 м/сутки.
Рабочим органом механизированного щита (системы Кальвед), примененного на строительстве перегонных тоннелей D = 6,72 м Мюнхенского метрополитена в условиях пластичных глин с песком и прослойками некрепкого известняка, служит планшайба с размещенными на ее радиальных балках резцами. Подрезающие (узкие) и скалывающие (широкие) резцы расположены на балках соответственно четных и нечетных номеров. Подъем и погрузка срезанной породы осуществляются при помощи ковшей, смонтированных на планшайбе.
Привод рабочего органа — гидравлический (шесть гидродвигателей общей мощностью 370 кВт). Скорость проходки 5—6 м/сутки.
Для проходки тоннелей в устойчивых породах, не требующих крепления забоя, нашел применение щит (D = 7,93 м) без внутренних перегородок (США).
В передней! части щита до горизонтального диаметра смонтировано 10 защитных козырьков /, выдвигающихся на 1,52 м за режущую кромку щита и имеющих индивидуальный гидравлический привод. Рабочий орган механизированного щита (рис. 313) в виде короткой мощной стрелы, оборудованной глухим ковшом 2 емкостью 1,32 л3, на днище которого снаружи смонтировано два зуба — рыхлителя.
Стрела может двигаться во все стороны, ковш — качаться и поворачиваться вокруг продольной оси стрелы и весь агрегат передвигаться поступательно.
Разработка породы начинается в центре забоя зубьями рабочего органа и продолжается в направлении к периметру щита. Недобранная порода срезается ножевым коль
цом щита.
Насосы гидравлической системы проходческой машины приводятся в действие десятью электродвигателями общей мощностью 560 кВт. Домкрат для подъема стрелы развивает усилие до 550 тс. Разработанная порода падает вниз, где ковшом рабочего органа нагребается на транспортер 3 и перегружается далее в глухой вагон 6 емкостью 61 м3, откатываемый к отвалу 50-тонным локомотивом. Скорость проходки составляет 3,6 м/ч. Блоки 5 обделки подают к забою при помощи тельфера 4.
Механизированный щит для сооружения перегонных тоннелей в устойчивых мяг-
ких породах, примененный при строительстве Лондонского метрополитена (рис. 314), состоит из двух концентрически расположенных цилиндрических корпусов 1 и 2. Внутренний корпус оборудован шестью вращающимися барами 5, снабженными стержневыми резцами 5. Центральная часть разрабатывается одним баром 4, расположенным диаметрально. Внутренний корпус приводится во вращение со скоростью 4 об/мин. Через его внешний зубчатый венец шестью гидрав-
Рис. 313. Щит с рабочим органом в виде мощной стрелы (США)
Ьий К
Рис. 314. Щит с рабочим органом в в;:_-по.юго цилиндра (Л глия)
лическими двигателями 6 общей мощностью 250 л. с., управляемыми с общег: пульта 7.
Передвижение щита вместе с машиной осуществляют гидравлическими домкратам* обычным способом.
К особенностям конструкции щита относится укороченная оболочка, благодаря чему монтаж и обжатие кольца обделки с клиновыми вкладышами (см. § 74) осуществляю* вне корпуса щита, а сам щит приобретает маневренность на криволинейных участкам трассы. Разработанную породу передают по транспортеру в вагонетки. Скорость проходки 18—19 пог. м/сутки.
§ 90. ЩИТЫ ДЛЯ ПРОХОДКИ В НЕУСТОЙЧИВЫХ ПОРОДАХ
В зависимости от структуры и естественного состояния неустойчивые породы разделяют на две группы: породы раздельно-зернистой структуры (гравий, пески) и породы агрегатной структуры (суглинки, супеси и пылеватые водонасыщенные пески — плывуны, а также илы).
Проходку тоннелей в породах первой группы можно осуществлять обычными щитами, оборудованными дополнительным ограждением в каждой рабочей ячейке. При этом требуется особая тщательность и внимание, чтобы избежать выпуска породы.
Процесс проходческих работ трудоемок; при отсутствии средств механизации необходима высокая квалификация рабочих.
Проходка в породах второй группы еще более сложна, так как требует применения сжатого воздуха как средства для частичного осушения забоя на ограниченном расстоянии впереди щита.
Рис. 315. Щит с горизонтальными рассекающими перегородками
В современной технике тоннелестроения применяют специальные щиты для механизированной проходки тоннелей в породах обеих групп.
Для механизации проходческих работ в породах раздельно-зернистой структуры (пески, гравий) имеют широкое применение щиты с активными горизонтальными полками.
Эти щиты могут быть выполнены с жестко закрепленными полками; с отдельными выдвижными полками; с обоймами вьщвижных полок; с единой подвижной обоймой полок и полками различного типа, оснащенными дополнительными устройствами для разработки и уборки породы.
Щиты с жесткими полками включают следующие элементы активного воздействия на забой: задний дозирующий элемент, поворачиваемый в вертикальной плоскости; вибрирующие полки; конвейерные полки.
Щит с горизонтальными рассекающими полками 1 (рис. 315) вдавливают в песчаный грунт при открытом забое с образованием осыпей 2 на каждом ярусе полок, благодаря чему отпадает необходимость крепления забоя. Для уменьшения сопротивления элементам щита должны быть приданы рациональные формы и размеры. Число разделительных полок, их длину и общую длину ножевого кольца назначают из условия недопущения опрессования грунта и удобства его механизированной выдачи от забоя.
Хорошие результаты достигнуты при проходке в песках щитом, у которого верхняя и нижняя полки были оснащены поворотными дозирующими элементами, а средняя полка — тонким конвейером, приводимым в действие при помощи троса от штока щитового домкрата. В боковых нижних отсеках были помещены вибрйруемые листы для направления породы к центру щита. Таким щитом на Московском метрополитене была достигнута месячная проходка 430,6 пог. м тоннеля.
На практике испытан щит с двумя выдвижными полками и поперечными транспортерами, перемещавшими породу к центральному отверстию в горизонтальной перегородке, откуда порода попадала на конвейер погрузочной машины.
Щит для проходки тоннелей в песках также может быть оснащен ограждением в каждой ячейке, механизирующим проходку и крепление забоя при помощи виброкрепи (рис. 316).
Такое механизированное ограждение представляет собой режущие устройства 1, связанные в решетчатую систему. Последняя под направленным воздействием вибратора 2 внедряется в массив с одновременным отбором сыпучей породы. По мере использования хода виброкрепи осуществляют продвижение всего щита. Такие циклы работ периодически завершают укладкой очередного звена обделки под защитой хвостовой части оболочки щита. Благодаря соответственно выбранной высоте ячеек виброкрепи и их глубине обеспечивается устойчивость забоя (под углом обрушения) в каждой ячейке и отбор породы естественным осыпа нием через направляющие лотки на продольные транспортеры.
Расчетные параметры такой виброкрепи (глубина внедрения, число и амплитуда вибрации, возмущающие силы и т. п.) устанавливают в зависимости от физико-механических свойств породы и требуемых темпов проходки.
5.W
Рис. 316. Щит с виброкрепью
Для проходки тоннелей в водонасыщенных песках (плывуны) в последнее время разработано несколько разновидностей так называемых герметизированных щитов. Их основное назначение — осуществлять проходку тоннелей без применения сжатого воздуха за счет специального конструктивного выполнения головной части, строительного зазора и самой обделки.
Из целого ряда имеющихся предложений рассмотрим наиболее глубоко проработанную систему гидромеханизированного герметического щита (рис. 317), основанную на теоретико-экспериментальном исследовании комплекса вопросов тоннелестроения, механики грунтов и гидравлики, проведенном в ЦНИИСе Минтрансстроя.
Основные требования, которым должна удовлетворять система герметического щита, относятся к полной безопасности, высоким темпам и качеству выполнения тоннельных работ.
Главным условием следует считать сохранение устойчивости забоя под действием двух внешних сил — собственного веса грунта и гидродинамического давления. Последнее представляет собой давление фильтрационного потока на скелет грунта; оно, очевидно, зависит от положения горизонта воды относительно грунтового массива.
Обеспечение устойчивости забоя при разработке породы может быть выполнено различными техническими средствами. Однако наилучшим из них признан метод гидравлической пригрузки при расположении забоя под углом обрушения.
К наиболее эффективным средствам снижения лобовых сопротивлений относится гидравлический способ разработки и перемещения грунта, что. очевидно, нарушает естественное состояние среды. При этом возможны три принципиальные схемы гидравлических устройств, регулирующих давление воды в призабойной зоне: прием пульпы через затворные устройства; прием пульпы в затопленную приемную камеру и отбор пульпы землесосом.
Наиболее рациональной системой герметического щита следует признать ту, которая основана на третьей схеме гидравлических устройств.
Взаимодействие головной части такого щита и водонасыщенных песчаных грунтов основано на общих закономерностях смены фаз деформации и напряженного состояния грунта (фаза уплотнения, начальных сдвигог и выпирания).
А-А
Рис. 317. Гидромеханизироваиный герметический щит:
/ — наклонные лобовые ограждения: 2 — гидроразмывочныс устройства: 3— затворы: 4 — гидр: мониторы; 5 — всасывающие трубы
Применительно к рассматриваемой системе щита могут быть сделаны общие выводы:
1) устойчивость грунтов обеспечивается увеличением давления воды е области размыва призабойной зоны благодаря движению щита;
2) нормальное движение щита возможно лишь .при предельной нагрузке на грунтовой скелет, когда последний приведен в предельное напряженное состояние;
Рпс. 318. Клапанные устройства для уплотнения строительного зазора:
1— опорная часть щитового домкрата; 2— уплотнительный клапан; 3 — кольцевой резиновый клапан; 4 — тюбинг; 5 — оболочка щита
3) для достижения предельного состояния грунта необходимо, чтобы разрушающая нагрузка на грунтовой скелет превосходила предельную;
4) режим работы щита может быть принят установившимся и проходящим с некоторой средней скоростью.
Таким образом, гидромеханизированный герметический щит с затопляемой (с целью гидравлической пригрузки) приемной камерой и наклонными диафрагмами отвечает условиям безопасной и эффективной проходки подводных тоннелей без применения сжатого воздуха.
Строительный зазор между оболочкой щита и обделкой может быть уплотнен применением клапанных устройств согласно схеме (рис. 318).
Для герметизированной проходки тоннелей в неустойчивых водонасыщенных грунтовых средах без изменения их естественного состояния может быть применен расчлененный агрегат-щит 1 (рис. 319), имеющий в своем составе: ножевое кольцо 6, опорное кольцо 7, щитовые домкраты 8, оболочку 9, перекрывающую несколько колец обделки 10, цилиндрический выдвижной элемент 11, сплошное лобовое ограждение 5, гидравлический домкрат (по типу забойного) 13, дозирующее устройство 12, вибраторы 2, виброплиты 1, аварийный шлюз 3, отверстия для пропуска вспомогательных труб 4.
Последовательность работ таким щнтом включает следующие операции:
1. Из исходного положения щита, при котором все лобовые ограждения образуют одну втянутую горловину, начинается поступательное перемещение наружного цилиндрического кольца щита с вибрированием ограждения.
1 Предложение В. П. Волкова. Авторское свидетельство № 332160 от 7 июня 1966 г.
Рис. 319. Расчлененный агрегат-щит для герметизированной проходки тоннелей J1 *
2. Одновременно с этим произойдет отжатие отпором грунтовой массы внутреннего цилиндрического элемента с упругим осаживанием удерживающих домкратов.
3. Вдавливание внутреннего цилиндра в грунтовую среду с вибрированием лобового ограждения с одновременным пуском дозирующего устройства и отбором грунтовой массы.
По окончании всех операций с выдвижными цилиндрическими элементами лобовое ограждение приводится в исходное положение для очередного перемещения щита. Шлюзовые устройства, помещенные между выдвижными цилиндрическими элементами щита, используются лишь как аварийные для доступа к забою.
При сооружении подводных тоннелей в илистых породах способом вдавливания применяют щиты с диафрагмами, рассчитанными на пассивный отпор породы. При этом форма диафрагмы может быть плоской, вогнутой или выпуклой в сторону забоя в зависимости от способа ведения работы и конструктивных особенностей щита. В случае частичного выпуска ила через щит в тоннель диафрагме придают вогнутую форму для более удобного расположения в ней выпускного отверстия и забирающих породу приспособлений. К числу последних следует отнести гидро- и пневмоэлеваторы, грязевые насосы, шлюзовые устройства и т. п. Иногда в конструкции щита помещают воздухонепроницаемую диафрагму со шлюзовым оборудованием для производства работ под сжатым воздухом только в головной части тоннеля.
2
7
3 3 5
в 7 J 3
1\__---------------------------------------------------------- I
Рис. 320. Щит со шлюзовой перегородкой (США)
К таким щитам относится примененный на строительстве Парижского метрополитена щит Роббинса диаметром 10,2 м (рис. 320), имеющий в своем составе корпус 4 с выдвижными секциями 3, режущий диск 2, вращающийся со скоростью 1,2—4 об/мин, приводные гидравлические двигатели 1, переднюю и заднюю транспортные трубы 7 и 8 с бункером 10, транспортный конвейер 9, два рычажных блокоукладчика 6.
Несущая диафрагма 5 щита имеет коробчатую конструкцию и оснащена спереди ножевым кольцом. В отсеках диафрагмы расположены щитовые домкраты (37 по 140тс) и гидравлические двигатели (10 по 100 кВт). Передняя и задняя стены диафрагмы снабжены шлюзовыми дверями. К отверстию в центре диафрагмы примыкает передняя транспортная труба (d = 3 м). Сбоку задней транспортной трубы имеется шлюзующий отсек с двумя дверями. Подачу сжатого воздуха в призабойное пространство осуществляют по трубам, а перемещение тюбингов — по монорельсу. Скорость проходки в песчаных породах при гидростатическом давлении до 2,5 кгс/см2 составляет 6 пог. м/сутки.
Глава 22
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СБОРКИ ОБДЕЛОК
§ 91. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Для механизированной сборки тоннельной обделки, проводимой под защитой хвостовой части оболочки щита, применяют специальные устройства, различающиеся по роду энергии привода, кинематическим схемам, конструк-тивным формам и месту расположения. По первому признаку укладочные машины делятся на гидроприводные, электроприводные, пневмоприводные и комбинированные. По кинематическим схемам укладочные машины делятся на рычажные и дуговые устройства, размещаемые на специальной опорной конструкции или непосредственно на щите.
При размещении укладочной машины на независимом от щита опорном устройстве любой конструкции образуется самостоятельный агрегат, выполняющий ряд функций. Такой агрегат, называемый в целом эректором, помимо своего основного назначения — монтировать тоннельную обделку, используется для размещения различного оборудования и служит рабочими подмостями для ведения основных и вспомогательных работ, в особенности при проходке без щита; при этом эректор должен иметь более мощную конструкцию и защитные приспособления, ограждающие механизмы при взрывных работах.
Для устранения взаимных помех между работами по укладке элементов обделки и выдаче породы применяют рычажные эректоры с полым валом. Внутри вала помещают транспортер, по которому порода от забоя перемещается в сторону тоннеля. Для ускорения процесса иногда применяют 2 рычага эректора. По одной схеме их помещают около боковых вертикальных перегородок щита с таким расчетом, чтобы между ними осталась нейтральная зона, не пересекаемая рычагами в процессе их работы. В этой зоне располагают транспортер. По другой схеме 2 рычага размещают на полом валу (см. ниже).
В случае применения обделки из блоков эректоры используют для удержания на кружалах незамкнутого кольца обделки.
Конструктивные схемы эректоров зависят от материала и вида применяемой обделки тоннеля, от размеров ее поперечного сечения и степени механизации проходческих работ. (Имеются эректоры для монтажа обделок переменного диаметра.) В зависимости от этих факторов устраивают опоры на повышенном уровне или непосредственно на лотковой части тоннеля (см. ниже).
Собственный вес эректоров первого типа должен быть учтен при расчете кольцевой обделки, вторая схема опирания более выгодна для статической работы обделки, не вступившей в упругое взаимодействие с породой, так как собственный вес эректора передается на лотковую часть и воспринимается непосредственно ею.
Относительное преимущество устройств первого типа — более широкий фронт работ в нижней части тоннеля и возможность своевременной постановки стяжек, предотвращающих деформации колец обделки.
Размещение на эректоре основного оборудования должно выполняться по принципу уравновешивания в продольном и поперечном направлениях при всех его рабочих состояниях и наиболее удобного и безопасного использования. Состав оборудования и его эксплуатация должны отвечать условиям цикличности и безопасности ведения работ.
Конструктивные формы тюбинго- иблокоукладчиков различны. ЦНИИСом предложена классификация блокоукладчиков, предложенная на стр. 325.
§ 92. УКЛАДЧИКИ РЫЧАЖНОГО ТИПА
Гидроприводной укладчик (рис. 321) отличается простотой и надежностью оборудования и управления, сравнительно небольшими размерами; эксплуатация его безопасна. Такой укладчик может быть помещен на отдельной конструкции или щите.
Конструкция рычага эректора представляет собой стальной корпус 6, внутри которого помещается выдвижная балка 5 с захватом на конце. Для ее выдвижения используется гидравлический домкрат 3, укрепленный на
Рис. 321. Гидроприводной укладчик
корпусе рычага. Непрерывность действия рычага осуществляется подачей жидкости к домкрату через вал 4.
Рычаг вращается при помощи гидропривода, состоящего из двух гидравлических домкратов 1 и зубчатой рейки 2, помещаемой на одной оси с домкратами. Благодаря подаче жидкости одновременно в рабочую полость одного домкрата и в нерабочую — другого осуществляется суммирование усилий обоих домкратов при любом направлении их движения.
Поступательное перемещение всего рычага вы
Рпс. 322. Станционный эректор на онора\-сто,:ка\
полняется при помощи
вспомогательного домкрата, помещаемого в торце главного вала. Благодаря радиальному, вращательному и поступательному перемещениям рычага эректора можно укладывать элементы тоннельной обделки в любое место кольца, причем все маневровые операции осуществляются гидроприводным устройством с высокой точностью.
Электро- и пневмоприводные устройства, одинаковые по кинематической схеме, отличаются от гидроприводных большей скоростью рабочих перемещений.
Обычно такие устройства, имеющие значительные размеры и массу, размещаются на специальной опорной конструкции, идущей вслед за щитом.
Станционный эректор на опора х-с т о й к а х относится к современным конструкциям электроприводных эректоров (рис. 322). Впервые он был применен при проходке станционных тоннелей в крепких породах. Эректор представляет собой передвижную пространственную стальную конструкцию, смонтированную из прокатных элементов и располагаемую при помощи опорных стоек на лотковой части тоннеля.
Опорная конструкция состоит из шести вертикальных стоек 3, располагаемых по бокам тоннеля и образующих достаточное пространство для размещения породопогрузочной машины и состава вагонеток. Вертикальные стойки опираются на две продольные балки-полозья 2, располагаемые на специальных кронштейнах 1, прикрепляемых к ребрам тюбингов.
На уровне первого яруса эректора располагается основная балочная конструкция 9, на которой устанавливается оборудование, и дополнительная конструкция-надстройка 7. На последней в трех ярусах расположены выдвижные платформы 4, перемещаемые при помощи гидравлических домкратов, смонтированных под выдвижными платформами. Перемещение всего эректора осуществляется при помощи сдвоенных гидравлических домкратов 11, опирающихся откидными захватами о ребра тюбингов.
Рычаг 5 эректора заключен в стальной корпус, внутри которого помещается также механизм изменения длины рычага. В состав этого устройства входит электродвигатель 6, планетарная передача, вращающийся винт с гайкой, скрепленной с выдвижной балкой и захватом 10. Электроприводной механизм 8 состоит из двигателя, редуктора, главного вала и тормозного устройства.
Рис. 323. Укладчик иа опорах-стойках для монтажа незамкнутой обделки
В зависимости от размеров поперечного сечения тоннеля и типа обделки размеры эректоров и их конструктивные формы соответственно видоизменяют. Например, для укладки элементов обделки при сооружении тоннелей больших диаметров может быть применен укладчик на опорах-стойках другого типа (рис. 323), который имеет тележку 1 с рыча
гом, перемещаемую в по-
перечной плоскости, что обеспечивает возможность укладки элементов 2 об-
делки незамкнутого очертания.
Двурычажный эректор с электрогидравлически м приводом (рис. 324) имеет полый вал 2, в котором находятся транспортер 3, трубы высокого давления и силовые кабели 4 Два рычага /. расположенные в разных плоскостях, могут быть использованы для укладки кольца благодаря изогнутой форме захвата.
Непосредственное опирание тележки на лотковую часть тоннеля осуществляется при помощи криволинейных элементов через роликовые опоры 5.
Усовершенствованием этого эректора является автоматизация подачи тюбингов под захват при помощи своеобразного транспортера-рольганга 6.
Эректор для монтажа железобетонных блоков без болтовых связей (рис. 325) имеет конструктивное отличие от описанных эректоров, так как на нем размещены кружала 1 и выдвижные балки 2 для поддерживания элементов обделки при их укладке. Из этих условий определяются конструктивная форма, размеры и расчетная схема эректора, воспринимающего нагрузку от собственного веса верхней части незамкнутого кольца обделки.
Конструкция 3 состоит из прокатных элементов, образующих пространственную систему, располагаемую на двух продольных балках 4, скользящих по железобетонной обделке при передвижении эректора щитом. Между этими балками может помещаться погрузочная машина. Имеются также самоходные эректоры такого типа, в том числе шагающие.
Электроприводные механизмы, как правило, громоздки ввиду наличия шестеренных^и редукторных передач.
Рис. 324. Двурычажный укладчик
Рис. 325. Блокоукладчик с поддерживающими балками
Эректоры для горной проходки без применения щита имеют дополнительное оборудование, позволяющее вести обжатие обделки с торца, буровые работы и в необходимых случаях крепление забоя — при более полном использовании погрузочной машины.
В качестве примера может быть приведена конструкция эректора со специальным устройством кольцевого типа (рис. 326).
Назначение этого эректора — служить блокоукладчиком, обжимающим кольца обделки, а также самоходными подмостями при бурении, сборке кон
тура выработки, нагнетании раствора и креплении забоя.
Блокоукладчик включает основную стальную конструкцию 5 с семью выдвижными платформами 6, кружала 3 и выдвижные балки 2 для поддержания блоков, домкраты 4 для передвижения эректора, упорное кольцо / с выдвижным козырьком и, наконец, рычаг эректора с захватом.
К особенностям этой конструкции бло-коукладчика относится способ ее опирания на криволинейных onopaxi для создания большого рабочего пространства и способ поступательного перемещения на полозьях.
Блокоукладчик перемещается путем подтягивания шестью гидравлическими домкра-
Рис. 326. Блокоукладчик для бес-щитовой проходки
тами к упорному кольцу, опертому в торец уложенных блоков, чем и осуществляется обжатие колец.
На время сборки кольца обделки забой может быть закреплен при помощи упорного кольца и поперечных балок, прижимаемых к забою. Для этой цели конструкция упорного кольца и поддерживающих его домкратов должна быть усилена.
Защита сверху обеспечивается двумя козырьками, периодически выдвигаемыми при помощи гидравлических домкратов.
Для защиты блокоукладчика от. действия взрыва применяют съемные ограждения в виде решеток с амортизаторами.
§ 93. ДУГОВЫЕ УКЛАДЧИКИ
Для сборки обделки преимущественно из крупных железобетонных блоков применяют так называемые дуговые укладчики. Хорошие эксплуатационные качества показал блокоукладчик дугового типа, помещенный на щите (рис. 327). Он представляет собой дуговую конструкцию 2 с роликами /, по которым ведется сборка крупных блоков, начиная с верхнего.
Перемещение блоков производится при помощи тросов от лебедок 3. используемых последовательно. По мере укладки отдельные блоки закрепляются при помощи фиксаторов 5.
Приведение блоков в проектное положение по контуру кольца осуществляется после подвижки щита при помощи вспомогательных радиальных домкратов 4.
Возможны и другие варианты дуговых укладчиков, работающих по принципу перемещения каретки с закрепленным на ней элементом обделки, а также по принципу полого жесткого диска.
Для монтажа обделки, распираемой в породу, и нагнетания тампонажного раствора для различных инженерно-геологических условий возможно применение блокоукладчика кассетного типа (рис. 328). Сущность такого блокоукладчика заключается в следующем.
На горизонтальной раме 2, опираемой на четыре катка, перемещается кассета /, представляющая собой незамкнутое жесткое кольцо с цевочным зацеплением и гидравлический привод вращения 3. Распределительно-уплотнительное кольцо в виде жесткого стального каркаса кругового очертания подвешено к щиту. При помощи этих устройств кольцо обделки монтируют поочередным навешиванием блоков на кассету выдвижными захватами при ее положении разрывом вниз с последующим поворотом ее на ± 160°. Навешенный таким образом па кассету комплект нормальных блоков переме-
Рис. 328. Блокоукладчик кассетного тина
Рис. 327. Блокоукладчик дугового типа
дают вверх при помощи :бжимных домкратов, шарнирно связанных с захватами. Затем устанавливают плоский лотковый блок с использованием тележки-перестановщика.
Распорные клиновые блоки устанавливают в проектное положение после передвижки щита и вдавливают при помощи щитовых домкратов. При нагнетании тампонажного раствора на распределительном кольце устраивают уплотнение из трехслойной транспортной ленты, которое при помощи распорного механизма прижимается к оболочке щита. Бла-
Рис. 329. Крап КМ-1000:
/ — стрела крана; 2 — пост управления,- 3 — тележка крана; 4 — аутригер
годаря этому устройству может быть герметизирован строительный зазор со стороны торца обделки при давлении раствора от 5 кгс/см2.
Для регулирования положения кассеты и рамы блокоукладчика в профиле используют специальные домкраты, помещенные между рамой и передними
катками.
Основным недостатком такого блокоукладчика является напряженная работа собственно кассеты при ее периодических поворотах, возникающая вследствие неуравновешенности системы.
Разновидности укладчиков зависят от веса элементов обделки, формы и размеров поперечного сечения тоннелей. Для крупноблочных обделок, в том числе незамкнутого контура, при проходке полущитом или эректором могут применяться укладчики, работающие по другим кинематическим схемам.
Например, для монтажа сборной обделки диаметром от 4 до 6 м на коротких участках тоннеля и камер на станциях глубокого заложения и в притон-нельных выработках применяют кран КМ1-1000, который может быть, кроме того, оборудован специальным грейфером для выгрузки породы и скрепером для очистки лотка (рис. 329). Грузоподъемность этого крана 1 тс.
Глава 23
СООРУЖЕНИЕ ТОННЕЛЕЙ ЩИТОВЫМ СПОСОБОМ
§ 94. ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ
В состав подготовительных работ входят сооружение монтажных щитовых камер и сборка щитов в подземных условиях. В особых случаях может быть применен способ опускания готовых щитов с поверхности.
Камеру для сборки щита располагают на трассе сооружаемого тоннеля и придают ей внутренние размеры, несколько превосходящие внешние очертания щита с учетом размещения монтажного оборудования. Такие камеры используют большей частью как временные сооружения, за исключением совмещенных с основными сооружениями, например с вентиляционными камерами метрополитена. Камеры размещают на трассе так, чтобы их можно было повторно использовать для монтажа щита противоположного направления или для разборки щита прилегающего перегона.
В конструктивном отношении камера (рис. 330) может быть выполнена с монолитной обделкой аналогично отрезку тоннеля, сооружаемому горным способом, или со сборной обделкой из тюбингов, что значительно сокращает объем выработки. В первом случае (рис. 330, а) при расположении камеры в породах, оказывающих боковое давление, конструкция камеры включает свод, боковые стены и обратный свод, на котором расположена опорная бетонная подушка. С торцов камеру ограничивают стенами с проемами для пропуска щитов.
Толщины элементов камеры, помимо обычного расчета, проверяют на монтажные нагрузки: свод — на вес поднимаемого груза до 2—3 тс, а торцовые стены — на усилия щитовых домкратов. Высоту камеры определяют величиной диаметра щита и расстоянием от верха щита до свода камеры, которое принимают равным 0,5—0,75 м. Ширина камеры зависит от величины диаметра щита
Рис. 330. Щитовые камеры и полукамеры
и ширины проходов между щитом и стенами камеры; обычно эти проходы принимают шириной 0,75— 0,80 м.
Длину камеры назначают из условия, чтобы в ее пределах при выдвинутом щите можно было собрать укладчик. По этим соображениям внутреннюю длину камеры для перегонных и станционных щитов принимают равной 6 м, а с учетом толщины торцовых стен и пространства в пределах хвостовой части щита — 9 м. При заложении щитовой камеры в пределах высоты стены в твердых породах может быть принята конструкция в виде полукамеры с опиранием свода непосредственно на породу (см. рис. 330, б).
Такие конструкции наравне с камерами из сборных элементов нашли широкое применение на строительстве метрополитенов.
Промежуточной конструкцией между полной камерой и полукамерой для случаев низкого расположения крепких пород является незамкнутая камера со стенами, доводимыми до прочного естественного основания. Специфическими для станций могут быть поперечные камеры (рис. 331). Такие конструкции заменяют две-три станционные и две перегонные камеры и используются в дальнейшем как вентиляционные. Монтаж перегонных и станционных щитов ведут в этом случае в требуемой по графику работ последовательности.
Конструкция демонтажных камер отличается от конструкции монтажных отсутствием торцовых стен, заменяемых временной крепью.
Горные способы сооружения щитовых камер глубокого заложения зависят от характера пород, материала, типа и размеров конструкции. На участках мелкого заложения сборку щитов осуществляют в котлованах, ограждаемых стальными сваями.
Камеры оборудуют подъемными приспособлениями для сборки щитов. В своде камеры закрепляют продольные балки или отдельные проушины для применения талей при монтаже щитов (см. рис. 330). Впереди камеры в верхней части забоя помещают одну лебедку и внизу, в подходной выработке, устанавливают одну-две лебедки. Элементы щита подают к щитовой камере на платформенных вагонетках в порядке, соответствующем монтажному графику, согласно маркировочным схемам под контролем маркшейдера.
При подъеме каждой детали щита ей придают требуемое направление при помощи оттяжных тросов. Сборку щитов обычно ведут круглосуточно специализированные бригады слесарей-монтажников, механиков, гидравликов и электриков.
Для монтажа верхней части щита необходимо снять подвесные балки. После окончания сборки щита и его оборудования проводят проверку всей аппаратуры и испытание гидравлических домкратов. Вслед за этим выдвигают щит из камеры, разрабатывают и крепят породу в забое. Для выдвижения щита используют несколько нижних домкратов, опорой для которых служат тюбинги или блоки обделки, укладываемые в лотковой части.
После освобождения камеры осуществляют сборку укладчика теми же монтажными средствами, что и при сборке щита. Последовательность монтажных работ зависит от конструктивной схемы укладчика. Обычно сборку начинают с установки на болтах главной рамы, затем собирают основной корпус и вспомогательные элементы конструкции, постепенно наращивая их по высоте. Монтажные работы заканчиваются установкой привода и рычага укладчика с соответствующей аппаратурой и приспособлениями. После этого производят тщательную проверку, регулировку и испытание отдельных механизмов и всей тележки в целом.
Гис 331. Шитовая поперечная камера
При повторном использовании камеры для сборки щита противоположного направления уложенную в камере обделку убирают.
Если работы ведутся со стороны открытого портала, щит собирают в открытой выемке или котловане при помощи кранового оборудования, расположенного на поверхности. В основании устраивают бетонную подушку с рельсовыми направляющими. Для последующего перемещения щита возводят специальный железобетонный упор или используют для этой цели массив породы, а в пределах камеры — последовательно укладываемые полукольца обделки.
Если геологические условия не позволяют сооружать камеру обычным способом в требуемом месте, применяются другие приемы подготовительных работ, например щиты могут быть опущены на проектную отметку с поверхности земли в собранном виде.
На строительстве Московского метрополитена предложен и применен способ опускания щитов вместе с камерой в виде кессонной секции 1 тоннеля (рис. 332). Предварительно собранные щиты заводят в готовую тоннельную секцию, расположенную непосредственно над трассой тоннеля.
Опускание таких секций вместе со щитами, тележками и оборудованием ведут обычным кессонным способом с выдачей породы через наращиваемый ствол шахты и ее отвалом на потолок секции. После опускания кессона на проектную отметку щиты 2 выдвигают из секции через торцовые стены, которые имеют разборную конструкцию (из металлических балок и заполнения).
Щиты выдвигают под сжатым воздухом с предварительным шлюзованием тоннельной секции и примыкающего к ней ствола шахты при помощи специальной съемной шлюзовой перегородки, помещаемой в стволе. По мере сооружения таким образом отрезков тоннеля длиной 25—30 м переоборудуют ствол и тоннель для последующей проходки под сжатым воздухом, которая начинается после монтажа шлюзового оборудования.
Ценность этого способа заключается в технической возможности начинать щитовые работы в любом требуемом месте. В особенности это перспективно для строительства подводных тоннелей, где необходимо начинать работы в береговой зоне или с искусственно возведенных островов.
В другом случае опускают собранный щит 1 в ствол шахты 2 большого поперечного сечения (рис. 333), рассчитанного на свободное перемещение щита, находящегося в нормальном для работы положении.
Ствол шахты, выполняемый из сборного железобетона или чугунных тюбингов, в таких случаях проходят кессонным способом. Внизу ствола устраивают водосборник, а на потолке кессонной камеры — бетонную подушку и упор для щита. В местах выпуска щита на трассу в конструкции обделки оставляют проем, закрываемый разборной диафрагмой 3.
В верхней части ствола помещают балки для приемной площадки и для крепления съемной шлюзовой перегородки и мощные балки для приема щита перед его опусканием.
Рис. 332. Опускание щита вместе с камерон Рис. 333. Опускание щита в ствол шахты 334
Опускание щита можно осуществить несколькими способами: на стальных канатах при помощи лебедок и полиспастов, на специальных пластинчатых цепях с использованием щитовых домкратов, на винтовых домкратах (по аналогии с опусканием наплавных кессонов) и на понтоне в затопленном водой стволе шахты.
Наиболее прост первый способ, при котором используются 10-тонные лебедки и системы полиспастов. Собранный щит надвигают на два пакета мощных балок, подвешиваемых через полиспасты, к неподвижным балкам портальной рамы. Опорой для этой рамы служат двойные балки, закрепленные в стенах ствола.
Подвесное устройство с рельсами на нем помещают на временные выдвижные балки, удаляемые из-под него перед опусканием щита. Чтобы обеспечить вертикальное направление щита при его опускании, в стволе укрепляют специальные направляющие.
Выпуск щита на трассу осуществляют под защитой временной шлюзовой перегородки с комплектом необходимого оборудования.
Когда будет пройден таким способом отрезок тоннеля длиной 25—30 м, дальнейшую работу необходимо временно остановить и переоборудовать ствол для опускания второго щита. После выпуска на трассу второго щита из ствола окончательно удаляют временную шлюзовую перегородку. Взамен ее в каждом тоннеле сооружают нормальные шлюзовые перегородки, а ствол оборудуют шахтным подъемом.
В качестве специальных приемов подготовительных работ может быть отмечена перевозка перегонного щита в собранном виде из демонтажной камеры одного участка в монтажную камеру другого (опыт строительства метрополитена в Праге), а также разворот щита в демонтажной камере для проходки смежного тоннеля в обратном направлении (опыт СССР).
§ 95. РАБОТЫ В ЗАБОЕ НЕМЕХАНИЗИРОВАННОГО ЩИТА
Способы работ в забое зависят от геологических условий проходки. В различной среде щит как орудие для проходки может быть использован в разной степени. В некоторых случаях роль щита ограничивается функциями подвижной крепи, позволяющей вести проходческие работы одновременно по всему поперечному сечению тоннеля благодаря наличию выдвижных платформ. В мягких и неустойчивых породах щит может быть использован в большей степени как агрегат, разрабатывающий породу при передвижке. Наконец, щит может полностью исключить труд человека, если все процессы в забое механизированы.
При неоднородных породах на протяжении тоннеля и в его поперечном сечении способы проходки по мере изменения геологических условий должны соответственно изменяться. При всех условиях должна быть соблюдена безопасность ведения работ.
Проходка в крепких породах. Основное назначение щита — поддерживать породу по контуру выработки до возведения тоннельной обделки.Поэтому крепкие нетрещиноватые породы как среда, пересекаемая щитом, должны быть исключением. Примером такого исключения может служить проходка подводных тоннелей и подходов к ним при пересечении щитом местных залеганий крепких пород на всем или на части поперечного сечения выработки. Подобные случаи могут встречаться также в городских условиях при проходке тоннелей на контакте с неустойчивыми породами.
Проходка щитом в таких случаях представляет собой горнопроходческие операции, выполняемые в забое щита, которые сочетаются с перемещением подвижной крепи, гарантирующей безопасность ведения этих работ. До передвижки щита необходимо разработать породу перед ним в объеме, достаточном для перемещения щита на ширину кольца тоннельной обделки.
При расположении крепкой породы в пределах всего сечения забоя и при толщине ее слоя над шелыгой свода более 2—3 м можно одновременно разра-
батывать породу по всей высоте забоя. Если же крепкая порода расположена не по всей высоте поперечного сечения щита или толщина слоя крепкой породы над щитом менее 2 м, разрабатывать породу одновременно по всей высоте забоя нельзя. В таких случаях необходимо проводить последовательную разработку забоя в отдельных ярусах щита.
К основным и наиболее эффективным способам разработки крепких пород относится взрывной способ в сочетании с механизированной погрузкой.
Для предохранения аппаратуры щита от действия взрыва ячейки щита оборудуются специальными ограждениями в виде стальных решеток или цепей. Благодаря этим устройствам живая сила ударов кусков породы погашается за
счет податливости ограждения, а газы поступают через щит в тоннель.
Если впереди щита ведутся взрывные работы, необходимо ограничивать величину заряда и снижать эффект выброса породы во избежание повреждений щита и аппаратуры. При небольшом слое крепкой породы над щитом следует производить пробное бурение за пределами контура выработки, чтобы исключить неожиданные вывалы. Кроме теоретического расчета перед началом основных работ необходимо проверять данные паспорта буро-взрывных работ на нескольких опытных заходках.
Возможны две схемы ведения работ — глухим забоем и с применением опережающей штольни. Как правило, щитовую проходку следует вести без опережающей штольни, что обеспечивает более эффективное использование щита и снижает стоимость работ. В практике могут быть случаи применения тупиковой или сквозной опережающей штольни, проходка которой весьма трудоемка, требует дополнительного времени и средств.
В случае предварительного устройства сквозной штольни для тоннелей, сооружаемых под уклон,* создается ряд дополнительных благоприятных условий: создание запасного выхода, улучшение водоотлива и вентиляции, развязка транспортных потоков; возможна также укладка бетонного лотка.
Лоток (рис. 334) обеспечивает щиту правильность положения в плане и профиле, предохраняет щит от повреждений и износа. В особенности это важно при проходке тоннеля большого поперечного сечения, внутри которого необходимо вести в дальнейшем монтаж конструкций с большой степенью точности.
Кроме того, штольня используется как первый этап расширения выработки в нижней части забоя.
Проходческие работы в крупких породах могут проводиться плоским и ступенчатым забоем.
В первом случае (рис. 335), который принимают при глухом или сквозном забое, взрывание породы ведут с таким расчетом, чтобы при взрыве первой группы шпуров создавать в забое направляющий лоток для сбрасывания по нему породы, которая будет отбита взрывом после-
Рис. 334. Направляющий
лоток в штольне
дующих шпуров.
Целесообразно располагать шпуры по трем-четырем концентрическим окружностям, так как при этом создается равномерный отрыв породы от массива и уменьшаются затраты взрывчатых веществ (рис. 335, б).
Породу можно убирать породопогрузочными машинами или вмонтированными перегружателями в пределах нижней ячейки щита, но для этого должно быть изменено положение вертикальных перегородок в нижней части щита.
В способе ступенчатого забоя (рис. 336), применяемом в основном при наличии опережающей штольни, разработку породы начинают в нижней части забоя, опережая верхнюю. Образуемая таким образом камера используется для размещения взорванной породы верхнего яруса.
Рис. 335. Разработка плоским забоем (а) и схемы расположения шпуров в забое (б):
механический погрузчик; 2 — контур отбитой взрывом породы; 3 — шпуры; 4— электродстона-Т'ры мгновенного действия; 5 — то же. с замедленном на 2 с; 6 — то же, с замедлением на 4 с
Уборку породы осуществляют устройствами, подхватывающими породу Iпоперечные стальные транспортеры, наклонные плоскости), или породоуборочными машинами, направляющими поток породы по штольне.
Такая последовательность разработки возможна лишь в породах, допускающих оставление нависающего уступа. В практике встречаются и другие разновидности приемов работ, вытекающие из учета реальной обстановки.
Проходка в мягких породах.)/ Как было отмечено выше, тоннели в мягких породах необходимо, как правило, проходить механизированными щитами. В случае применения щита обычного открытого типа проходческие работы должны выполняться особо тщательно с креплением забоя на каждом этапе перемещения щита (рис. 337).
Разработку мягких пород ведут пневматическими лопатами или механизированными скребками на глубину, равную ширине кольца тоннельной обделки. Перемещение щита сразу на эту величину обеспечивает наименьший расход времени и материалов на крепление забоя и кровли.
Обычный способ ведения работ (см. рис. 337, а) заключается в том, что забой и кровлю тщательно закрепляют при помощи системы горизонтально расположенных деревянных ограждений (досок) 6, прижимаемых к забою через составные брусья 5 забойными домкратами 4. Кровлю выработки защищают деревянной или стальной крепью 1, заводимой сверху ножевой части щита или кружальной арки 2.
Разработку породы в каждой ячейке ведут с постепенным снятием нескольких ограждающих досок, их постановкой в новое положение, опережающее первое на величину нормальной заходки, и выдвижением платформы. После этого забойное ограждение прижимают к породе забойными домкратами и вспомогательными распорками 3. По мере выполнения этих операций во всех ярусах щита выдвижные платформы оттягивают в исходное положение, а за-
боиные домкраты оставляют включенными на рабочий ход.
При передвижении щита система забойного ограждения остается неподвижной, а плунжеры домкратов упруго смещаются в цилиндры (особенности их гидравлической схемы были рассмотрены в § 86). Уборку породы обычно ведут одновременно со всех ярусов щита, используя направляющие лотки.
В случае проходки в мягких, но более устойчивых породах целесообразно использовать способ частичного врезания щита по его контуру при помощи щитовых домкратов. Для этой цели предварительно разрабатывают среднюю часть забоя,
Рис. 336. Разработка ступенчатым забоем
оставляя нетронутой кольцевую полосу. При движении щита оставшаяся часть породы будет срезана. Ширина этой полосы может быть определена расчетом и уточнена опытным путем. Такая активизация роли щитовых домкратоь позволяет полнее реализовать их технические возможности.
В пластичных глинах целесообразен прием работ, основанный на вдавливании ограждающей решетки из стальных полос-ножей. При этом порода поступает внутрь щита в виде кусков прямоугольной формы.
При ведении работ в тугопластичных породах, где возможно оставление забоя без ограждения, применяют способ первоначальной разработки вертикальной прорези с последующим ее использованием в качестве направляющего лотка для породы при расширении выработки до проектных размеров. Такое расширение ведут по ярусам сверху вниз. В этом случае целесообразно вести выдачу породы механическими перегружателями, вмонтированными в щит.
Возможны и другие разновидности проходческих приемов, обеспечивающих безопасность работ..
Проходка в неустойчивых породах. Принципиальная характеристика неустойчивых пород в зависимости от их структуры и естественного состояния приведена выше. Применяемая в отдельных случаях проходка в таких породах обычными щитами отличается сложностью, требует высокой квалификации рабочих и особой тщательности выполнения всех операций. Главная задача в процессе проходки — не допускать выпуска породы, что может привести к тяжелым последствиям (затоплению тоннеля, образованию воронок на поверхности и разрушению зданий). Поэтому все проходческие процессы, применяемые в щитах открытого типа, должны выполняться, как правило, по; защитой ножевой части. Естественно, что проходку ведут только при глухом забое без опережающих выработок.
Особое значение при проходке в неустойчивых породах имеет надежное ограждение верха выработки. Для этой цели применяют выдвижные и. постоянные козырьки, которые должны опережать переднюю плоскость ножевого кольца настолько, чтобы внутри верхних ячеек щита могла образоваться осыпь породы под углом обрушения.
Чтобы уменьшить величину опережения и придать всему забою устойчивость, рекомендуется разделять забой на дополнительные ярусы устройством рассекающих площадок, в том числе и вибрационного действия (см. рис. 316).
Выдвижные козырьки, рассмотренные в разделе конструкции щитов, могут быть выполнены в виде цельной арки, отдельных секций, а также выдвижных балок.
Рис. 337. Крепление забоя: а —в ячейке щита при проходке в глинах; б — при проходке в неустойчивых i ородах
Рис. 338. [IpoiiiBoanapniiiibie устройства
До передвижения щита козырек первым перемещается вперед при помощи специальных домкратов или рычажных систем. Для уменьшения сопротивления врезанию необходимо зестн подработку породы. После разработки породы при последующем перемещении щита козырек вновь приводится в исходное положение.
Роль козырька особо важна при ведении проходческих работ на небольшой глубине от поверхности. В этом случае козырек, будучи неподвижным во время перемещения щита, исключает непосредственное воздействие щита на породу (трение) и предотвращает продольные смещения налегающей массы породы.
В сухих песчаных породах иногда применяют неподвижный козырек в виде стальных балок или рельсов, прочно скрепленных с ножевой частью щита. Расстояние между этими балками выбирается с расчетом местного сводообразования, что предотвращает смещения и обрушения в забое.
При проходке обычными щитами в неустойчивых водоносных породах применяют в зависимости от местных условий искусственное водопонижение или сжатый воздух как средство отжатия воды и осушения забоя на некотором расстоянии впереди щита (более подробно о работе под сжатым воздухом будет сказано в § 99). В случае применения искусственного водопонижения приемы проходки аналогичны рассмотренным ранее.
При проходке под сжатым воздухом (см. рис. 337, б) нижнюю часть забоя на высоте трети диаметра щита обычно ограждают стальной диафрагмой 11 с отверстиями 12 для впуска породы 13. Кровля и боковые части выработки находятся под защитой ножевой части щита.
Для обеспечения устойчивости забоя и его разделения по высоте на независимые участки обычно применяют в отдельных ярусах щита забивную металлическую крепь 9. Боковые части ограждают дощатой крепью 8 и 10. Забойные домкраты поддерживают крепь через распределительные брусья 7.
Разработку породы ведут в зависимости от ее состояния небольшими за-ходками (до 0,25—0,30 м) сверху вниз одновременно во всех ячейках определенного яруса. Разработанную породу перекидывают в направляющие лотки. Щит в этом случае перемещают после каждого перекрепления забоя, т. е. 3—4 раза, после чего укладывают одно кольцо обделки.
Работа по перекреплению должна проводиться на высоту до 0,3 м, что сопряжено с необходимостью применения последовательно укорачиваемых распределительных брусьев, поддерживаемых забойными и вспомогательными домкратами. Такой способ проходки может использоваться на отдельных участках, где нецелесообразно применять специальные щиты.
Главный недостаток этого способа — отсутствие механизации, необходимость больших затрат времени на вспомогательные операции (при высокой квалификации проходчиков) и сравнительно небольшие темпы проходки. Поэтому целесообразно вводить в призабойную часть устройства, позволяющие устранить указанные недостатки. К таким устройствам относятся дополнительные местные диафрагмы, секторные затворы, а также сплошные диафрагмы с отверстиями для частичного впуска породы (рис. 338).
Дополнительные местные диафрагмы (см. рис. 338, а) представляют собой систему двух коротких диафрагм 1 и 3, одна из которых помещается наверху ячейки с передней стороны опорного кольца 2, а другая — внизу с противоположной его стороны. При этом в случае прорыва воды в забое образуется своеобразный гидравлический затвор, так как вода, поднявшаяся до уровня нижнего края передней диафрагмы, не сможет подняться выше вследствие противодавления сжатого воздуха, выход которому в сторону забоя закрыт водной преградой. Очевидно, что такое ограждение, препятствующее
затоплению тоннеля, имеет лишь противоаварийный характер и отнюдь не умаляет роли основных средств крепления забоя.
Секторные затворы (см. рис. 338, б), помещаемые по одному в каждой ячейке щита, представляют собой вращающийся цилиндрический сегмент 4, состоящий из согнутого стального листа б = 164-20 мм, усиленного уголками, и треугольной рамы для соединения с горизонтальными шарнирами.
Такое устройство всегда находится в поднятом положении и в неустойчивом равновесии; оно закрепляется при помощи удерживающего приспособления. В случае экстренной необходимости оградить ячейку выключают стопорное устройство. Затвор закрывается и предотвращает поступление разжиженной породы.
Противоаварийные ограждения указанных типов широко применялись в зарубежной практике щитовой проходки в неустойчивых водоносных породах и показали положительные результаты, тем не менее нельзя признать их совершенными. Необходимо механизировать процесс крепления и отбора породы путем превращения пассивного ограждения в активный агрегат.
Сплошные диафрагмы с отверстиями для частичного впуска породы (см. рис. 338, в) применяются в случае проходки в разжиженных породах, например в илистых. Щит полностью закрепляется диафрагмами 5, в которых предусматриваются отверстия 6, закрепляемые дверями или гидроприводными задвижками.
Во время передвижения щита ил вдавливается через отверстия в диафрагмах и погружается на транспортные средства. При работе под сжатым воздухом ил приближается по своей консистенции к пластичной глине. В этом случае погрузка производится обычным способом, но с предварительным разрезанием массы ила на отдельные куски.
В особых случаях при мощных слоях ила и глубоких водных преградах допускается применять способ вдавливания без пропуска ила внутрь щита. Лишь в целях управления щитом часть ила в объеме 5—10% впускается в щит через среднее отверстие в диафрагме. Зарубежный опыт проходки в иле показал хорошие результаты управления щитом путем регулирования объема ила, впускаемого внутрь. Для опускания щита необходимо увеличить впуск ила внутрь, а для подъема — уменьшить его.
Проходка в смешанных породах. Способы ведения работ в забое щита при проходке в смешанных породах (рис. 339) зависят от свойств пород. При этом в отдельных ярусах щита могут проводиться работы, специфичные для данной категории породы. Смешанные твердые породы особых затруднений для проходки не представляют. Смешанные породы с частичными включениями неустойчивых пород представляют большие трудности при проходке.
Смешанные породы могут находиться в пределах высоты забоя в самых разнообразных сочетаниях. Рассмотрим для примера случай проходки станционного тоннеля (см. рис. 339, а) в твердой глине (в пределах I и II ярусов), в известняке (в пределах III яруса) и пластичной глине (в пределах IV яруса).
В случае отсутствия выдвижного козырька необходимо вести работы так. чтобы щит был всегда придвинут к забою, т. е. вести разработку верхнегс яруса во время передвижки щита при закрепленном забое.
Разработку начинают с I и II ярусов щита в твердой глине. Затем ведут бурение шпуров в известняке в пределах III яруса и подработку нижней части IV яруса в пластичной глине (см. рис. 339, б) — для возможности выдвижения платформ щита. После выдвижения последних осуществляют заряжание, взрывание, вентиляцию и подчистку профиля.
Следующий этап работы (см. рис. 339, в) — передвижка щита с одновременной разработкой породы в пределах верхнего яруса. При этом разработку пластичной глины в боковых ячейках выполняют срезанием ножевой частью 340
щита и отбойными молотками. Разработанную породу сбрасывают вниз по направляющим лоткам п откатывают по опережающей штольне или в сторону готового тоннеля.
Верхняя часть забоя находится, таким образом, всегда под защитой ножевой части щита; это увеличивает безопасность работ и темпы проходки.
Проходку в смешанных породах можно осуществлять при помощи полущита (рис. 339, г). При расположении мягкой породы в верхней части забоя и твердой в нижней целесообразно применить проходку наиболее ответственной верхней части профиля под защитой ножевой части полущита, а нижней — под защитой его оболочки или сооруженной обделки. Образуемый при этом забой имеет уступчатую форму. Разработку и крепление забоя в верхней части ведут обычным способом, описанным выше. Нижнюю часть разрабатывают как открытую скальную выемку, в средней части которой устраивают наклонную траншею для спуска породы.
Бурение шпуров в нижней части ведут параллельно с проходкой полущитом. После удаления бригады осуществляют заряжание, взрывание и вентилирование. Затем продолжают проходческие работы и ведут подготовку основания для последующей передвижки полущита. В состав подготовки входит тщательное выравнивание основания в пределах ножевой части полущита и укладка стальных опорных плит и катков, переносимых с задней стороны опорной части полущита.
Одновременно с разработкой породы в пределах полущита ведут уборку взорванной породы в средней части и выравнивание контура выработки для монтажа обделки. Погрузочные работы можно производить породоуборочными машинами любого типа.
При пересечении щитом неустойчивых и крепких пород, находящихся .в одном поперечном сечении забоя, возникает необходимость сочетать взрывные работы в нижней части сечения и тщательное крепление забоя — в верхней. В таких случаях допускается проводить опережающую заходку за пределами ножевой части щита в зоне неустойчивых пород, а затем разрабатывать твердые породы буро-взрывным способом, обязательно оставляя целик толщиной 1 м, который необходимо удалять отбойными молотками. Могут быть и другие случаи, требующие учета местных условий и принятия решений, гарантирующих .безопасность работ.
§ 96. СООРУЖЕНИЕ ТОННЕЛЬНОЙ ОБДЕЛКИ ИЗ ТЮБИНГОВ, БЛОКОВ И ПРЕССОВАННОГО БЕТОНА
Монтаж тюбингов. Элементы тоннельной обделки подают непосредственно к захватывающему приспособлению механического укладчика на специальных вагонетках платформенного типа или при помощи рольганга.
Для прикрепления чугунных и железобетонных тюбингов к захвату укладчика обычно используют болтовые отверстия, имеющиеся в круговых бортах, или отверстия в дополнительном ребре.
Средства прикрепления элементов обделки к захвату эректора принимают в зависимости от размеров, массы и конструктивной формы элементов (см. § 92).
К числу важных условий ведения монтажных работ, обеспечивающих правильность укладки и надежность работы собранного кольца обделки, относится особая тщательность очистки бортов, постановки болтовых связей и временных оправок конической формы, натяжения болтов. Наличие на стыкуемых поверхностях тюбингов каких-либо твердых частиц может служить причиной неплотного соприкасания бортов и даже их излома от давления домкратов.
Постановка болтов и их натяжение производятся сразу после укладки очередного тюбинга. Для соблюдения требуемой точности используют 2—3 оправки, забиваемые в болтовые отверстия каждого тюбинга. Эти оправки заменяют болтами после укладки очередного тюбинга. Как правило, первым укладывают нижний тюбинг, к которому последовательно и симметрично с обеих сторон приболчивают остальные тюбинги.'
Сборку нижних тюбингов следует выполнять особенно тщательно, по данным маркшейдерской службы. Сборку последующих тюбингов допускается вести лишь после проверки правильности укладки предыдущих. Ключевой тюбинг заводят на место последним; при его установке рычаг укладчика перемещается радиально.
Одновременно с укладкой тюбингов должна производиться постановка гидроизоляционных шайб и натяжение болтов при помощи электрического или пневматического инструмента, обеспечивающего расчетное напряжение болтов с последующим доболчиванием.
При сболчивании железобетонных тюбингов необходимо учитывать иную — временную — роль болтовых связей, поэтому степень напряжения болтов должна быть ограничена по условиям прочности бортов.
При сборке обделки особое внимание должно быть обращено на обеспечение и сохранение правильной круговой формы тоннельной обделки, что контролируется в каждом кольце измерениями величии горизонтального, вертикального и наклонных диаметров (допустимые отклонения ±25 мм). Необходимо следить за тем, чтобы кольцевые борта каждого собранного кольца находились в одной плоскости, в этом случае усилия, развиваемые щитовыми домкратами, распределяются равномерно.
Чтобы форма кольца обделки не исказилась под влиянием собственного веса, в процессе сборки кольца применяют дубовые или металлические прокладки, помещаемые между тюбингами и оболочкой щита. С той же целью используют стальные стяжки с натяжными устройствами (см. § 78). Эти стяжки могут быть сняты в месте прекращения деформации в обделке, т. е. после нагнетания раствора.
Лопнувшие тюбинги должны быть по возможности удалены. При незначительных трещинах, не влияющих на водонепроницаемость обделки, тюбинги могут быть исправлены и усилены чеканкой и применением стяжек. Для обнаружения и исправления возможных дефектов обделки необходимо осуществлять регулярный и тщательный надзор. Контрольное подтягивание болтов проводят во время передвижки щита, так как при этом используется эффект обжатия колец давлением щитовых домкратов.
Монтаж блоков. Сборка колец обделки из блоков в зависимости от их массы и площади поперечного сечения тоннеля требует применения рычажных или дуговых укладчиков. При массе блока до 3 т может быть использован рычажный укладчик, при помощи которого ведут монтаж обделки от нижнего элемента к замковому с соблюдением условий, подобных указанным выше.
В блоках имеются отверстия для нагнетания раствора, которые в процессе монтажа используют для крепления блока к укладчику, а также петлеобразные выпуски арматуры или углубления — карманы. Закрепляют блоки к укладчику при помощи специальных захватов (см. рис. 325).
Обычно сборку кольца обделки и
Рис. 340. Блокоукладчик для незамкнутой обделки
с укладки нижнего блока, ос-
тальные укладывают попеременно и симметрично с обеих сторон до половины кольца с тщательной проверкой положения каждого блока. При укладке блоков верхней половины их поддерживают двутавровыми балками, смонтированными на опорной конструкции укладчика. При использовании блокоукладчи-ков кассетного типа блоки укладывают только в нижней части с последующим
перемещением по кольцу.
При возведении кольцевых обделок из крупных железобетонных блоков в транспортном строительстве и средних при сооружении коллекторных тоннелей применяют блокоукладчики дугового типа (см. § 93).
Рассмотрим последовательность работ применительно к четырехблочной обделке (см. рис. 246).
Доставленный на специальной платформе блок массой 5—6 т поворачивают на 90° и перемещают в плоскость собираемого кольца обделки при помощи двух электроталей. Затем блок перемещают по роликам 1 дуги 2 укладчика при помощи лебедки <3, укладывают в верхнее положение и поддерживают при помощи фиксаторов 5 до замыкания кольца. Второй блок поднимают другой лебедкой до соприкасания торцов блоков и устанавливают стержень, связывающий выпущенную петлевую арматуру. Третий блок укладывают и крепят на месте таким же способом, используя первую лебедку. Четвертый, нижний блок устанавливают в лотковой части при помощи электроталей.
После этого в торцах между нижним и боковыми блоками укладывают временные бетонные вкладыши и передвигают щит. При этом происходит относительное смещение поддерживающих балок укладчика и уложенных блоков обделки, в результате чего в плоскость уложенного кольца попадают радиальные гидравлические домкраты 4, помещенные на концах балок укладчика; после этого три верхних блока приводятся в проектное положение при помощи радиальных домкратов. Стыки нижнего блока заполняют жестким бетоном на быстротвердеющем цементе.
В случае сооружения незамкнутых обделок при проходке полущитом целесообразно применять блокоукладчик, средняя часть дуги которого является подъемным звеном (рис. 340).
Блок 1, уложенный на подъемное звено 2, поднимают вверх при помощи двух лебедок 3 и затем перемещают по дуге 4 блокоукладчика в проектное положение. Замковый блок устанавливают на место непосредственным подъемом.
Применение монолитно-прессованного бетона. Наряду со сборными конструкциями тоннельных обделок значительный интерес представляет обделка, выполняемая из монолитно-прессованного бетона при механизированной щитовой проходке. Такая обделка имеет ряд положительных качеств: бесшов-
ность, плотность, водонепроницаемость, гладкость внутренней поверхност»-. повышенную прочность, возможность немедленного вступления в совместна к работу с окружающей породой, сравнительно низкую стоимость и индустриаль-ность возведения.
В обделках из монолитно-прессованного бетона, применявшихся за рубежом для строительства тоннелей малых диаметров в начале XX в., давление щитовых домкратов передавалось частично на бетонную массу, а большая ег часть — на продольные стержни, помещаемые в теле обделки, или на опалубкч
В Советском Союзе ведутся большие научно-исследовательские, проектные, опытные и производственные работы по применению монолитно-прессованногс бетона, отмеченные в 1973 г. Государственной премией.
Большой практический интерес представляет передача давления домкратов непосредственно на бетонную массу. В этом случае прессование представляет механический процесс уплотнения бетонной массы до начала ее схва-ватывания. Процесс прессования основан на передаче давления щитовых домкратов через специальное упорное кольцо на бетонную массу, заключенную в обойму. Внутренняя поверхность последней создается опалубкой, а наружная — породой.
Прочность прессованного бетона, зависящая, как известно, от прочности цементного камня и заполнителей, может регулироваться в требуемых пределах соответствующим подбором исходных материалов. Прочность цементного камня зависит от его плотности и, следовательно, от степени прессования.
Вместе с плотностью возрастает и водонепроницаемость бетона. Требованиям прочности и сокращения сроков твердения бетона отвечают низкие водоцементные отношения (0,2—0,3), а требованиям удобоукладываемости — высокие (0,5—0,6). Сочетание указанных требований возможно реализовать применением бетонной массы с переменным водо-цементным отношением.
Первоначальное водо-цементное отношение бетонной массы должно быть в пределах 0,5—0,6, что обеспечивает применимость пневмобетоноукладчиков. После прессования с интенсивностью 10—15 кгс/см2 происходит обезвоживание с отжатием чистой воды. Более хорошие результаты по отжатию воды и по механическим показателям прессованного бетона могут быть получены при сочетании прессования с вибрированием.
Благодаря вибрированию бетонная масса приобретает свойство подвижности и, следовательно, лучше заполняет бетонируемый объем. Уменьшение объема бетонной массы при прессовании происходит вследствие отжатия воды и воздуха, а также сжатия воздуха, остающегося в бетонной массе. Большее сжатие происходит при жестких смесях. В условиях отсутствия бокового расширения деформации бетонной смеси возможны только за счет уменьшения пористости.
При сооружении обделки тоннелей из монолитно-прессованного бетона применяют опалубку нескольких типов: переставную1, жесткую скользящую и гибкую скользящую.
В зависимости от конструктивных особенностей опалубки процессы формования обделки между породой и опалубкой различны при проходке в слабых и крепких породах.
Если используется переставная опалубка, первичное формование бетонной смеси в условиях слабых пород ведется под защитой хвостовой части оболочки. При проходке методом вдавливания процессы передвиженя щита и прессования совмещены.
Если же проходка ведется в крепких устойчивых породах, бетонную смесь формуют за пределами оболочки щита непосредственно между опалубкой и породой. Щиты с укороченной оболочкой могут быть использованы с переставной опалубкой только в условиях устойчивых крепких пород. Прессование бетонной смеси осуществляют, когда щит неподвижен.
1 В Советском Союзе применяется в промышленном виде. 344
Комплект секций переставной опалубки, не будучи связан со щитом, остается при его передвижении неподвижным. По мере передвижения щита периодически разбирают последнюю секцию опалубки, по частям перемещают вперед и монтируют вновь специальными подъемнотранспортными механизмами. Такие операции многократно повторяются.
К недостаткам переставной опалубки относят
ся ее громоздкость и не-
удобство работ в стесненных условиях, неблагоприятное механическое воздействие на обделку (кольцевые трещины), невозможность изменения шага бетонирования, опасность разрыва оболочки щита при проходке в песчаных породах ввиду необходимости прессования бетонной смеси под защитой оболочки,
неоднородность прессования.
Скользящая опалубка соединена со щитом и перемещается вместе с ним, г. е. исключаются операции по разборке и сборке. Гибкость конструкции опалубки зависит от способа взаимного соединения ее секций. Гибкость опалубки в продольном направлении должна быть достаточной с тем, чтобы обеспечить высокое качество сооружаемой обделки (водонепроницаемость, ровную и гладкую внутреннюю поверхность), а также повышенную маневренность щитового комплекса (возможность сооружения тоннелей и на криволинейной трассе). Для уменьшения заклинивания скользящей опалубки следует диаметр головных секций принимать несколько большим, чем хвостовых. Конструкция такой опалубки состоит из отдельных секций с фланцами 1 (рис. 341) и упругими элементами 2, выполняющими роль шарниров.
Основное преимущество гибкой скользящей опалубки заключается в том, что при проходке в неустойчивой среде можно: вести бетонирование одновременно с передвижением щита, не подвергая опасности разрыва оболочку щита, так как последнюю делают укороченной; уменьшить трудоемкость проходки.
Жесткая скользящая опалубка применима только на прямолинейных участках тоннелей.
§ 97. НАГНЕТАНИЕ ГРАВИЯ И РАСТВОРА ЗА ОБДЕЛКУ
Основное назначение нагнетания за сборную обделку заключается в заполнении пустот с целью предотвращения деформаций от собственного веса, создания упругого отпора породы (системы «обделка — порода»), предупреждения развития горного давления, предупреждения оседания поверхности и некоторого улучшения гидроизоляции обделки.
Нагнетание подразделяется на первичное, повторное и контрольное.
Для первичного нагнетания можно применять гравий и цементно-песчаные растворы. Повторное и контрольное нагнетание при заполнении пустот за обделкой гравием осуществляют цементным молоком. Повторное нагнетание при первичном заполнении цементно-песчаным раствором выполняют таким же раствором (но иного состава) или цементным молоком. В последнем случае контрольного нагнетания не требуется.
Материалами для нагнетания служат: сухой гравий или крупный песок •однородной фракции (диаметр зерна не более 0,24 диаметра отверстия), не •содержащий посторонних примесей; цементно-песчаные растворы (для повторного нагнетания) на цементах всех сортов активностью 200—300 кгс/см2,
в условиях агрессивной среды — приготовленные на специальных цементах с добавками (см. § 61).
Нагнетание сухого материала необходимо выполнять до полного отказа при помощи пневматических гравиенагнетателей, расположенных на вспомогательной тележке за щитом, под давлением 3—5 кгс/см2. Правильно подобранный состав раствора обеспечивает однородное, прочное и плотное заполнение. Состав раствора подбирается в зависимости от условий водонасыщения породы.
Процесс нагнетания ведут в пределах головной части эректора за первое и второе кольца при помощи растворонагнетателей под давлением 3—5 кгс/см2. Эти аппараты работают периодически и обеспечивают при нагнетании непрерывное перемешивание раствора. До начала нагнетания необходимо уплотнить строительный зазор при помощи торцовых прокладок со стороны домкратов или в крайнем случае пакли на цементном растворе. Перед ножевой частью щита применяют уплотнение из мягкой глины. Раствор по шлангам подают через отверстия в элементах обделки от нижней части вверх.
Первичное нагнетание необходимо выполнять немедленно после монтажа сборной обделки. При заполнении гравием повторное нагнетание не должно отставать от первичного более чем на 5—8 колец. После окончания работ по нагнетанию и одно-двухсуточной выдержки контролируют качество выполненных работ тщательным осмотром и проверкой всех отверстий для нагнетания и ведут их учет в специальном журнале. В случае необходимости проводится дополнительное нагнетание.
Контрольное нагнетание, проводимое с целью заполнения трещин, осуществляется при помощи поршневого насоса под давлением до 8 кгс/см2 с отставанием на 30—50 м от забоя. Иногда давление оказывает такое же действие, как сосредоточенная нагрузка, вследствие наличия пустот за обделкой; в таких случаях давление необходимо снизить.
После окончания всех работ по нагнетанию отверстия в обделке должны быть плотно закрыты при помощи металлических пробок с асбестоцементными шайбами или зачеканиванием замазкой из расширяющегося цемента. Последующие гидроизоляционные работы можно начинать после двухсуточной выдержки.
Ввиду малой производительности растворонагнетателей периодического действия и плунжерных насосов темпы работ по нагнетанию отстают от возможных темпов проходки. Поэтому более рационально применение непрерывного способа подачи раствора с поверхности одновременно в несколько отверстий в обделке.
Для нагнетания целесообразно применение цементировочного агрегата п цементносмесительной машины, при помощи которых может быть обеспечено непрерывное механическое приготовление цементного раствора требуемой консистенции, его перемещение по трубам в тоннель и одновременное нагнетание в несколько отверстий. Цементный раствор приготовляют цементносмесительной машиной 2СМ (рис. 342), смонтированной на шасси автомобиля ЯАЗ-210.
Перемещение раствора и его нагнетание за тоннельную обделку выполняют при помощи цементировочного агрегата ЦА-320 м, оборудование которого смон-
Рис. 342. Цементно-смесительная машина 2СМ.
-тировано на шасси автомобиля К.РаЗ-219. Наибольшая дальность подачи раствора — 400—450 м.
Для прокладки труб с поверхности в тоннель используют вентиляционные скважины или пробуривают дополнительные. На каждой трубе устанавливают распределитель с патрубками, снабженными пробковыми кранами, и шланги, идущие к инъекторам.
Методика нагнетания заключается в следующем: в каждом десятом кольце обделки в отверстия блоков вставляют инъекторы 50—58 мм с пробковыми кранами, к которым присоединяют резиновые шланги. Вначале раствор нагнетают в 2—6 инъекторов с постепенным (по мере заполнения пустот раствором) выключением из работы отдельных инъекторов. Нагнетание раствора прекращают по достижении давления 5 кгс/см2. Скважины в пятом кольце и соответствующие краны оставляют открытыми для выпуска воздуха и контроля за появлением раствора. После появления раствора их закрывают.
Процесс нагнетания таким способом обслуживают 7 чел. (4 на поверхности и 3 в тоннеле).
Основное достоинство непрерывного нагнетания одновременно в несколько отверстий заключается в том, что цементный раствор распространяется на значительную длину, заполняя трещины в окружающей породе и создавая хорошо уплотненный слой затвердевшего цементного раствора. При этом по сравнению с обычным способом нагнетания затраты времени снижаются в 10 раз, а трудовые затраты — в 8 раз.
Для обеспечения водонепроницаемости тоннелей в Советском Союзе и ряде зарубежных стран широкое применение получил метод тампонирования пород бентонитовыми растворами. Бентониты обладают очень ценными качествами: тонкозернисты, стойки к агрессивным водам, способны сильно разбухать и удерживать связанную с ними воду, тиксотропны. Для замедления набухания бентонитового раствора добавляют кальционированную соду (Na.2CO3).
Бентонитовые растворы необходимо приготовлять по определенной технологии и рецептуре. Вначале заливают в растворомешалку воду, затем по весу насыпают бентонитовый порошок и тщательно перемешивают в течение 8— 10 мин. После этого добавляют кальцинированную соду и перемешивают 2— 3 мин. Для приготовления 1 м3 бентонитового раствора требуется 200 кг бентонитового порошка, 760 л воды и 6 кг кальцинированной соды.
Технология производства работ включает бурение тампонажных шпуров, приготовление и нагнетание раствора и уплотнение шпуров. Контроль за распределением раствора ведут при помощи смежных шпуров. Предельное давление — 10 кгс/см2, по достижении которого переключают нагнетание на контрольный шпур, а по окончании нагнетают цементный раствор, после твердения которого снимают пробковые краны.
§ 98. ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ РАБОТЫ
Вода может проникать в тоннель через болтовые отверстия, швы, отверстия для нагнетания, а также микротрещины, образующиеся вдоль закладных деталей в железобетонных элементах. Гидроизоляционные работы в тоннелях, сооружаемых из чугунных тюбингов, ведут одновременно со сболчиванием и постановкой гидроизоляционных шайб 2, вдавливаемых между болтом и тюбингом стальными шайбами сферической формы 1, которые обжимаются гайками (см. рис. 239).
Гидроизоляционные шайбы изготовляют из пластических масс. В качестве исходного материала служит гранулированный полиэтилен высокой плотности (для болтовых отверстий) и полиэтилен, совмещенный с полиизобутиленом в соотношении 2 : 1 повышенной эластичности (для инъекционных отверстий).
Для предотвращения процессов, вызывающих старение, в указанные материалы вводят добавки — термостабилизаторы и светостабилизаторы. Такие шайбы можно применять при температуре от + 25° до —15° С.
Применение шайб из пластических масс позволяет устанавливать постоянные болты без их последующей замены и сокращает объем работ по ремонту гидроизоляции.
Изоляция швов между тюбингами достигается несколькими приемами. Так как обработанные резцом поверхности бортов не могут предотвратить поступление воды, то необходимо производить зачеканку канавок при помощи специальных замазок или шнуров, уплотняемых пневматическими чеканочными молотками. Материалами для таких уплотнителей могут быть цементы высоких марок, освинцованный шнур и полимерные смолы. Все эти материалы водонепроницаемы, химически стойки и при тщательной очистке канавок прочно соединяются с чугуном. Швы между тюбингами перед заполнением изоляционными материалами должны быть тщательно очищены от грязи и масел. Этот процесс обычно выполняют при помощи пескоструйных аппаратов или механических щеток.
Рабочие, ведущие очистку, должны быть защищены специальными шлемами-респираторами.
В очищенные до металлического блеска швы послойно наносят и тщательно зачеканивают при помощи рубильно-чеканочных молотков гидроизоляционный материал — замазку из расширяющегося (РЦ) и быстротвердеющего расширяющегося (БРЦ) цемента. Замазку из цемента БРЦ приготовляют на месте работ небольшими порциями; влажность ее не более 10%. Швы можно заполнять замазкой вручную, а также с использованием специальных укладчиков.
Освинцованный шнур с асбестобитумным сердечником имеет эллиптическое сечение 9 х 6 мм и применяется в наиболее ответственных случаях для заполнения канавок чугунных тюбингов с целью прекращения притока воды, через швы.
Гидроизоляционную замазку используют при всех сборных тоннельных обделках — чугунных, бетонных и железобетонных.
При уплотнении замазки в чеканочных канавках бетонных и железобетонных блоков необходимо принимать меры против их повреждений. Для этого на пики рубильно-чеканочных молотков надевают упругие наконечники.
Материалами для гидроизоляции стыков бетонных и железобетонных элементов обделки служат специальные замазки, имеющие в основе водонепроницаемый безусадочный цемент (ВБЦ) или полимерные материалы в виде эпоксидно-фурановой мастики. Последняя представляет композицию синтетических смол (эпоксидной ЭД-5 и фурановой ФА), наполнителей (пылевидный кварц) и отвердителей (БСК и полиэтиленполиамин ПЭПА).
Такие замазки наносят в холодном состоянии на стыкуемые поверхности элементов обделки, что обеспечивает водонепроницаемость стыков; чеканочные канавки в этом случае должны иметь глубину 40—50 мм.
В последнее время создан новый гидроизоляционный материал — быстро-схватывающийся уплотняющий состав БУС, состоящий из гипсоглиноземистого расширяющегося цемента, портландцемента и хризолитового асбеста седьмого сорта. Этот материал отвечает всем техническим требованиям на гидроизоляцию швов сборных тоннельных обделок.
В оболочках железобетонных конструкций из элементов ребристого сечения часто возникают трещины. Эти трещины изолируют нанесением торкретного слоя из асбестоцементной смеси (цемент марки 500—90%, асбестовая пыль — 7%, алюминат натрия — 3%).
Временные болтовые связи подлежат удалению. Болтовые отверстия закрывают и изолируют так же, как и чеканочные канавки.
Изоляция отверстий для нагнетания достигается при помощи плоских асбестобитумных или полимерных шайб, помещаемых под заплечики чугунных нарезных пробок, а также при помощи замазки из цемента ВРЦ до заче-канки канавок. Контроль качества гидроизоляции выполняют проверкой водонепроницаемости стыков при контрольном нагнетании, а канавок и отверстий — при гидростатическом испытании под давлением до 5 кгс/см2, что и оформляют в журнале учета работ.
Все гидроизоляционные работы необходимо вести по принципу поточности ~ри двух или трех вспомогательных тележках возможно ближе к щиту, но там, где положение колец в породе полностью стабилизировалось (на расстоянии 30 м от щита). Работы должны проводиться звеньевым методом с обеспечением возможности повышения производительности труда.
Для выполнения гидроизоляционных работ в тоннелях средних и больших сечений с железобетонной и чугунной обделками рационально применять-облегченные передвижные тележки. Это позволяет повысить производительность труда и улучшить условия работы чеканщиков.
На Московском метрострое такая инвентарная тележка (рис. 343) имеет в составе разборной конструкции следующие элементы: ходовые рамы 1, на которые оперты три трубчатые поперечные фермы 2, соединенные между собой на болтах двумя средними фермами 3, верхнюю и две боковые складывающиеся рабочие площадки 4, четыре опорных устройства, направляющие балки 5 и кронштейны 6.
К тележке может быть подключен сжатый воздух и электроэнергия через понижающий трансформатор (до 12 В).
При помощи двух ручных червячных лебедок тележка перемещается по направляющим балкам.
Рабочие площадки тележки расположены так, что с них обеспечен свободный доступ к любому месту периметра тоннельной обделки и выполнение операций нагнетания, переболчивания, очистки и чеканки швов и монтажных, работ без перерыва движения тоннельного транспорта.
48*0
Рис. 343. Облегченная инвентарная тележка
§ 99. СООРУЖЕНИЕ ТОННЕЛЕЙ ПОД СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ
p = o.l(« + f
Сжатый воздух как средство осушения забоя и его стабилизации применяется при щитовой проходке в качестве крайней меры (ввиду вредного действия на здоровье рабочих), когда другие технические мероприятия (искусственное водопонижение, герметизация проходки) не могут быть эффективно использованы.
Щитовая проходка под сжатым воздухом может производиться в обводненных песках, водонасыщенных неустойчивых породах, устойчивых породах при малой толщине их залегания над тоннелем, а также при сооружении подводных тоннелей, когда имеется опасность прорыва воды в тоннель.
Определение давления и расхода сжатого воздуха. Давление сжатого воздуха зависит от гидростатического давления, характера геологических условий и высоты поперечного сечения тоннеля. Это давление, как правило, не должно превышать гидростатического напора на уровне нижней трети высоты забоя, т. е.
D^, (247)
где Р — интенсивность давления воздуха, кгс/см1 2;
Н — глубина заложения верха тоннеля от уровня воды, м;
D — внешний диаметр щита, м.
Такое требование объясняется тем, что при горизонтальных проходках под сжатым воздухом необходимо поддерживать режим, при котором исключается опасность прорыва воды в нижней части забоя и сжатого воздуха — в верхней.
Так как наибольшую опасность всегда создает давление воздуха, большее необходимого для отжатия воды, то, допуская некоторое обводнение нижней трети сечения, снижают разницу в давлении сжатого воздуха и гидростатического напора на уровне верха сечения. В связи с этим требуется дополнительно ограждать обводненную часть забоя.
Потребность в сжатом воздухе может быть установлена на основании отчетных данных о постройках тоннелей в аналогичных условиях. Для предварительного определения расхода воздуха могут быть использованы эмпирические формулы, выведенные на основании опытных данных. Трудность теоретического обоснования расхода воздуха объясняется различной воздухопроницаемостью проходимых пород. По опыту Московского метростроя, все породы можно разбить на 6 групп, отличающихся величиной коэффициента воздухопроницаемости в пределах от 0,5 до 2. Низший предел соответствует наиболее плотным породам, а высший — наиболее пористым.
При условии пренебрежения сравнительно небольшими утечками воздуха через зачеканенные швы обделки и через шлюзовые устройства можно учитывать только утечки через забой и строительный зазор, зависящие от воздухопроницаемости пород.
Объем подаваемого в тоннель сжатого воздуха V (м3/мин), приведенного к нормальному давлению, может быть при этих условиях приближенно оценен по следующей зависимостих:
где D — диаметр выработки, м;
а — практический коэффициент воздухопроницаемости породы;
р — давление сжатого воздуха, кгс/см2;
L — наибольшее расстояние от забоя до шлюзовой перегородки, м.
Расход воздуха определяется по наибольшей утечке, а не по условиям прорыва. Обычно производительность компрессоров устанавливают с учетом
1 При установившемся режиме проходки фактический расход воздуха снижается
и не зависит от величины L.
резерва в пределах 20— 50% для условий центра' лизованного воздухоснаб-жения от нескольких местных станций и до 100% для индивидуальных установок (например, на искусственных островках). Для полной гарантии безопасности и бесперебойности работ требуемый резерв должен быть обеспе
Рпс. 344. Стальная шлюзовая перегородка:
/ — труба к аккумулятору; 2 — воздухопровод низкого дав.чсшгл; 3 - пожарный водопровод; 4 — воздухопровод высокого давления; 5 — труба от гидроаккумуляторов; 6 — труба для подачи бетонной смеси; 7 —людской шлюз; 8 — вентиляционная труба; 9 — патрубок для предохранительного клапана; 10 •— шлюз-тр*.-ба; // —сифонная труба: 12 — материальный шлюз; 13 — дренажная труба
чен независимым источни
ком энергии.
Обычно компрессорную станцию оборудуют несколькими компрессорами, что обеспечивает воз
можность замены или ре-
монта любого из них двумя последовательно поставленными воздухосборниками суммарным объемом V > 1,6]/Q, где Q — производительность компрессорной станции, м3/мин.
Компрессорную станцию необходимо помещать вне зоны задымления и возможных осадок поверхности в результате проведения выработок.
Нагнетаемый в рабочую зону воздух тщательно очищают от пыли, масляных паров и перегара при помощи специальных фильтров. Работу фильтров и воздухосборников проверяют не реже трех раз в месяц, делая анализы сжатого воздуха. Температура подаваемого воздуха не должна превышать 22° С в теплое время года и не быть ниже 15° С в холодное время.
Шлюзовые перегородки и их оборудование. Назначение щлюзовых перегородок в тоннелях заключается в том, чтобы оградить зону сжатого воздуха от зоны нормального давления и обеспечить между ними производственную связь. Поэтому перегородки снабжаются устройствами для пропуска людей, материалов и различного оборудования. Конструктивные формы перегородок зависят главным образом от применяемых материалов и размеров поперечного сечения тоннелей. В качестве материалов используют сталь, железобетон, бетон и сравнительно редко кирпич.
Наибольший практический интерес представляют разборные стальные перегородки (рис. 344), которые могут быть перенесены в другое место по мере удаления щита на расстояние 200—250 м.
Конструкция стальной перегородки представляет систему главных и вспо-могательных балок. Главные балки, расположенные по вертикальному и горизонтальному диаметрам, имеют монтажный стык в центральном узле. Со стороны зоны сжатого воздуха систему балок покрывают стальными листами толщиной 8—10 мм, прикрепленными по окружности к кольцевым прокладкам, защемленным между тюбингами.
Воздухонепроницаемость перегородки обеспечивается резиновыми прокладками.
Расчетное давление на перегородку принимают равным полуторному рабочему давлению, но не ниже 3,5 кге/м2. Суммарное давление сжатого воздуха, воспринимаемое перегородкой, передается на главные балки, а через них и диагональные подкосы — на обделку.
Перегородки из бетона со стальными шлюзами (рис. 345) имеют то относительное преимущество, что они обеспечивают наибольшую плотность всех взаимных примыканий оборудования и бетона, укладываемого в пластическом состоянии. Шлюзовые перегородки из железобетона (рис. 346) громоздки в кон-
/ 3 /
Рис. 346. Железобетонная шлюзовая перегородка:
/ — железобетонная перегородка; 2— аварийный шлюз; 3 — материальный шлюз; 4 — геодезический прикамерок; 5 — железобетонная перегородка; 6 — железобетонное перекрытие; 7 — подготовка из тощего бетона
Рис. 345. Бетонная шлюзовая перегородка со стальными шлюзами:
I— зона повышенного давления; 2 — бетонная перегородка; 3 — аварийный шлюз; 4 — геодезический прикамерок; 5 — зона нормального давления; (> — рабочий шлюз: 7 — шлюзовая труба; 8 — материальный шлюз; 9—уровень откаточных путей
структивном отношении. Особенностью этой конструкции является то, что перегородки и шлюзы выполняются из железобетона, а двери — из стали.
В состав оборудования перегородок всех типов входят шлюзовые аппараты, патрубки для присоединения труб и клапаны.
Обычно в шлюзовых перегородках тоннелей больших поперечных сечений применяют 4 шлюза (рис. 347) следующего назначения: два нижних — материальные, один верхний — для рабочих, второй верхний — противо-аварийный.
Первые имеют назначение шлюзовать породу и строительные материалы, второй — пропускать через перегородку рабочих и технический персонал и третий служит запасным выходом в случае аварии.
Стальные шлюзы в отличие от обычных, применяемых в кессонной практике, изготовляют в виде котлов большой длины (до 6—8 м). Размеры поперечного сечения назначают по условиям безопасности и по условиям их эксплуатации.
Диаметр материальных шлюзов, определяемый по размерам вагонеток, равен 1,8—2,1 м, а шлюзов для рабочих из условия нахождения в шлюзе стоящих людей равен 1,9—2,0 м. Для унификации типоразмеров шлюзов принимают диаметр поперечного сечения 2 м.
Длину материальных шлюзов определяют по условию одновременного пропуска трех-четырех вагонеток. Для пропуска сцепа вагонеток в зону нормального давления по рельсовому пути, уложенному внутри шлюза, необходимо устраивать откидное рельсовое звено длиной 1 м. Это звено должно подниматься или опускаться при открывании двери в сторону повышенного давления. Длину шлюзов для рабочих назначают по условиям размещения в них всей •смены рабочих и технического персонала, шлюзующихся одновременно.
Рис. 347. Шлюзовой аппарат:
/ — кран для понижения давления; 2 — двойные краны для выпуска сжатого воздуха
UM"
С обеих сторон шлюза имеются скамьи для сидения; их длину определяют по норме 0,4 м на каждого шлюзующегося.
Противоаварийный шлюз используют по прямому назначению в крайне
редких случаях, когда не- Рис 348 Устройства для обеспечения безопасности работ обходимо вывести людей под сжатым воздухом
при затоплении тоннеля.
Этот шлюз должен быть всегда открытым в сторону высокого давления н под-
готовленным к немедленному использованию; его длину принимают с таким расчетом, чтобы вместить весь работающий персонал при условии шлюзования стоя.
Использование рабочих и аварийных шлюзов не по прямому назначению запрещается. В качестве исключения допускается проведение геодезических работ через противоаварийный шлюз н геодезический прикамерок длиной 1,8—2,0 м, представляющий собой дополнительное звено этого шлюза.
Так как удлиненный шлюз имеет три двери, то создается возможность вести геодезические работы в прикамерке, не закрывая дверь основного шлюза со стороны высокого давления.
Все шлюзовые аппараты должны быть оборудованы кессонными приспособлениями в соответствии с правилами техники безопасности. Для пропуска длинномерных материалов используют специальный шлюз — трубу диаметром 25—50 см. Для технических и санитарно-гигиенических нужд через шлюзовую перегородку проводят целый комплект труб и электрических кабелей (см. рис. 344).
При производстве работ под сжатым воздухом необходимо иметь специальные предохранительные устройства, дающие возможность быстро покинуть тоннель: аварийный помост, шлюз и предохранительную (спасательную) перегородку — экран 1 (рис. 348). Аварийный помост «3 шириной 1 м помещают в верхней части сечения тоннеля на всем протяжении от щита до шлюзовой перегородки. Помост имеет поручни и специальное освещение, позволяющее различать предметы в тумане. На расстоянии не более 75 м одна от другой устраивают лестницы 2, связывающие помост с лотковой частью.
Предохранительный экран представляет собой воздухонепроницаемую стальную диафрагму, помещаемую в верхней части тоннеля на расстоянии не более 35 м от щита. В состав экрана входит шлюз вместимостью 2—4 чел. Экран предотвращает затопление тоннеля выше уровня нижней кромки экрана, так как его действие основано на принципе водолазного колокола.
Особенности работ под сжатым воздухом. При работе в забое под сжатым воздухом необходимо выполнять ряд выработанных практикой мероприятий для обеспечения полной безопасности проходких. Проходку щитом под сжатым воздухом следует вести, как правило, глухим забоем и без перерывов; при креплении и перекреплении забоя необходимо ограничивать высоту одновременной разработки величиной 30 см. Породу необходимо разрабатывать сверху вниз одновременно во всех ячейках каждого яруса. Одновременная разработка породы в нескольких ярусах допустима лишь при оборудовании ножевой части щита разделительными устройствами. Крепление забоя необходимо осуществлять гидравлическими забойными домкратами, а в перерывах между передвижками щита — дополнительной системой жесткой крепи. Следует также иметь постоянный запас материалов для быстрой ликвидации начавшегося прорыва. К таким материалам относятся пригнанные по контуру щита доски, запас пакли, глины и мешков.
1 Правила безопасности при производстве работ под сжатым воздухом. М., Орг-трансстрой, 1961.
Особенностью взрывных работ является обеспечение от поврежден и?, лобовых устройств, что достигается применением мелких шпуров и небольших зарядов, рассчитанных только на рыхление породы, а также возможности допуска людей к забою после взрыва при условии открытия сифонной трубы в течение 1 ч. Проходка подводных тоннелей с применением каких бы то ни бы.?, взрывных работ при толщине слоя породы менее 10 м недопустима. Если ж? толщина слоя породы превышает 10 м, допускается электровзрывание, но лишь при условии применения взрывных машинок и рубильников закрытого типа огневое взрывание совершенно исключено.
Газовая сварка в зоне сжатого воздуха запрещена.
Электросварка допускается только для тех предметов, которые не мог. т быть сварены вне зоны сжатого воздуха. Место электросварки должно быть ограждено несгораемыми щитами, а корпусы аппаратов должны быть надежно заземлены. Подмости и крепь необходимо выполнять из огнестойких материалов. Применение легковоспламеняющихся материалов должно быть ограничено, в особых случаях хранение таких материалов допустимо в металлической закрытой таре.
§ 100. СООРУЖЕНИЕ ТОННЕЛЕЙ СПОСОБОМ ПРОДАВЛИВАНИЯ
При пересечении действующих железнодорожных и автомобильных магистралей линиями метрополитена возникает необходимость сооружения тоннелей на небольшой глубине без перерыва эксплуатации наземного транспорта. Для этой цели служит безосадочная проходка способом продавливания, не требующая вскрытия поверхности и какого-либо переустройства транспортного полотна. Этот же способ применим для сооружения гидротехнических, пешеходных и коммунальных тоннелей в мягких и неустойчивых породах.
Форма поперечного сечения сооружаемых таким методом тоннелей может быть круговой, подковообразной, прямоугольной, трапецеидальной и др.
Сущность этого способа, аналогичного щитовому, заключается в следующем (рис. 349). Главные элементы проходческого щита — его опорное кольцо и нож — используют раздельно. Опорное кольцо или стальную обойму вместе с гидравлическими домкратами 5 помещают в специальной камере 6, оснащенной упорной стеной 7, и оставляют в неподвижном положении на весь период работ. Кольца тоннельной обделки 4 (сборной или цельносекционной) последовательно монтируют (или устанавливают) в пределах камеры. Ножевую часть щита 1 заостренной формы или головную секцию 2, оснащенную по контуру листовой сталью 6 = 30 40 мм, вначале вдавливают через портальный проем
3, а затем периодически перемещают при помощи домкратов, упираемых в торец очередной секции обделки, преодолевая лобовое сопротивление породы вдавливанию и боковое (силы трения).
Для уменьшения этих сопротивлений частично разрабатывают среднюю часть забоя и нагнетают в зазор между обделкой с породой антифрикционную суспензию (например, бентонитовую или отработанное машинное масло в смеси с тавотом).
В случаях недостаточности усилий одной установки для преодоления всех сопротивлений и при значительной длине тоннеля применяют одну или несколько промежуточных продавливающих установок (рис. 350).
I этап — в рабочую камеру опускают промежуточную установку 2 и продавливают ее вместе с передним
Рис. 349. Проходка тоннеля способом продавливания
Рис. 350. Проходка с промежуточной продавливающей установкой
участком обделки 1, используя домкраты основной установки 3.
II этап — опускают первую секцию 4 второго участка обделки, упирая ее в торец промежуточной установки.
111 этап — ведут проходку с поочередным включением промежуточной установки 5 для перемещения головного участка и основной — для перемещения второго участка обделки 6 вместе с промежуточной установкой.
Для разработки породы, кроме способа врезания ножевой секции, возможно применение механизированного агрегата.
Одновременно с продавливанием убирают породу от забоя до промежуточного бункера с последующим подъемом на поверхность способом, зависящим от объема пород (бадьевым, клетьевым или скиповым переподъемниками). Способ перемещения породы может быть рельсовым в вагонетках, конвейерным или гидравлическим.
Практически достигнутая в СССР наибольшая суточная скорость проходки перегонного тоннеля составляет 3,45 м при общем усилии продавливания колец около 800 тс.
Таким способом можно сооружать и тоннели прямоугольного сечения. Рассмотрим это на примере постройки двухполосного автодорожного тоннеля.
Две железобетонные секции прямоугольного поперечного сечения 1 и 2 ipuc. 351) массой около 500 т каждая были изготовлены на месте и расположены на железобетонных фундаментных плитах 6. По наружной поверхности секций была нанесена битуминозная мембрана. В качестве упора для домкратов использованы лотковые плиты. С одной стороны насыпи плита уперта в стену котлована, огражденную шпунтом 3, с другой — закреплена 12 наклонными анкерами 5.
Головные части секций оснащены стальными режущими кромками. В процессе последовательного продавливания обеих секций использовано усилие 1200 тс, развиваемое 12 домкратами. Для уменьшения силы трения нагнетали бентонитовую суспензию. Стык между секциями 4 на участке длиной 1,5 м был выполнен из монолитного бетона с битумной изоляцией без удаления ножевых устройств.
Для сооружения тоннелей применяют также продавливание отдельных железобетонных элементов прямоугольного поперечного сечения, входящих в состав тоннельной конструкции.
Рис. 351. Схема продавливания секции автодорожного тоннеля
§ 101. КОМПЛЕКСНАЯ МЕХАНИЗАЦИЯ ТОННЕЛЬНО-ЩИТОВЫХ РАБОТ
Принципы организации работ при комплексном методе ведения строительно-монтажных процессов щитовой проходки остаются по существу теми же, что и для сооружения тоннелей горным способом (см. § 66).
Рассмотрим лишь специфические для щитовой проходки схемы комплексной механизации для нескольких характерных условий проходческих, монтаж-пых и транспортных работ.
Первая схема. Комплекс оборудования (рис. 352), размещаемый за щитом с гидравлическим приводом, для проходки тоннелей в породах с пределом прочности на сжатие до 250 кгс/см2 включает блокоукладчик 1 рычажного типа, передвижные платформы 10, на которых размещены: перестановщик блоков 11, рольганг 12, резиновые конвейеры 2 и 3 на длину состава вагонеток 9, необходимых на одну заходку, толкатель вагонеток 8, установка для нагнетания раствора за обделку 7, насосные установки гидропривода 4, шкафы электрооборудования 5. Вместе с платформами перемещаются два звена пути, в конце комплекса помещен бункер 6.
Гидравлическая система обеспечивает работу всех гидроприводных механизмов резания породы, блокоукладчика, щита и всего комплекса оборудования. Пульт управления расположен на щите.
Вторая схема. Сооружение перегонного тоннеля метрополитена механизированным щитом дискового типа. Геологические условия — пластичные глины и суглинки. Унифицированная обделка — из железобетонных блоков. В головной части комплекса (рис. 353) — щит с плоской планшайбой (диском), оснащенной пластинчатыми резцами. Диаметр планшайбы меньше наружного диаметра щита, что позволяет разрабатывать породу под защитой ножевой части щита и предотвращать тем самым вывалы породы и защемление рабочего органа. Очевидно, что при этом кольцевая часть забоя срезается щитом. Планшайба вращательно-поступательного действия может перемещаться вперед вместе с первым транспортным звеном — головным транспортером 1 — на 250—500 мм.
Срезанная порода попадает через прорези планшайбы в направляющие устройства, а затем на головной транспортер. Затем породу перемещают по транспортеру 2 челночного типа и, наконец, по главному транспортеру 4 в двухсекционный бункер 8, перегружающий породу в большегрузные вагонетки. Груженые вагонетки, порожняк, блоки и тележки с контейнерами для сухой смеси, используемой для нагнетания, перемещают электровозами. Блоки укладывают в хвостовой части щита рычажным блокоукладчиком 3 шагающего типа.
На первой вспомогательной тележке 5 располагаются приводы главного транспортера и толкателя верхнего действия, а также необходимое электрическое оборудование (сборки). Вторая тележка несет растворный узел 7 с двумя растворонагнетателями непрерывного перемешивания и краном 6 для подъема контейнеров с сухой смесью. Этот кран, помимо вращения на 360°, может поступательно передвигаться по всей длине тележки. Для совместного перемещения блокоукладчик и тележка соединены между собой тягами.
Рис. 352. Комплекс оборудования за щитом с гидравлическим приводом
Рпс. 353. Комплекс оборудования за щитом дискового типа
Все маневровые операции с гружеными и порожними вагонетками в пределах длины комплекса устройств производят при помощи толкателя верхнего действия. Такие же толкатели используют около шахтного ствола внизу и на эстакаде. Таким образом, все работы, связанные с разработкой, погрузкой : откаткой породы от забоя до поверхности, полностью механизированы.
Первичное и контрольное нагнетание, гидроизоляционные работы ведут обычным способом с использованием подмостей блокоукладчика и дополнительной тележки.
К ведущим процессам относятся проходческие и монтажные. Расстановку членов комплексной бригады, состоящей из 9 чел., подчиняют циклограмме рис. 354). За шестичасовую смену при такой организации работ сооружают 3 пог. м тоннеля.
Третья схема. Сооружение перегонного тоннеля механизированным щитом планетарного действия в породах средней крепости. Обделка — из чугунных или железобетонных тюбингов.
В состав комплекса (рис. 355) входит двухдисковый механизированный щит планетарного действия /, связанный с ним трехсекционный подвижной ломост 4, укладчик с полым валом 2 и растворный узел 5. Внутри полого вала помещается транспортер 3, перегружающий породу в бункер 6 и далее в вагонетки, отвозимые к шахтному стволу электровозом.
Особенностью рассматриваемой схемы является возможность совмещения сборки кольца обделки с разработкой и выдачей породы ввиду независимости подачи на забой рабочего органа машины.
Применение подвижного помоста исключает необходимость самоходных устройств на тюбингоукладчике.
Последовательность операций подобна рассмотренной выше. Для обеспечения полного совмещения ведущих процессов—разработки породы и монтажа элементов обделки — необходима четкая работа подземного транспорта, требующая определенной очередности подачи порожних вагонеток и тюбингов. Кроме того, весьма важна согласованная организация работы механизированной эстакады на поверхности и растворного узла. Роль последнего значительна, так как при высоких скоростях движения щита (до 10—11 пог. м в сутки) должно быть обеспечено своевременное нагнетание за обделку.
Трудовые затраты при среднесуточной скорости проходки 8 пог. м составляют 40—41 чел-ч.
Рис. 354. Циклограмма на сооружение трех колец в смену
КЪв пор. гиены кование onepai^--^ 1 2 J У 5 б
1
Резание породы
1 Уборка породы с очисткой, лотка. 9 9 9
3 Нагнетание 2 2 2
ПереЗВижка коммек со. , 3 ц 1 3 1 1 3 1
5 Путевые работы 1 б
S Монтаж обделки
Рис. 355. Комплекс оборудования за щитом планетарного действия (двухдисковым)
Четвертая схема. Сооружение перегонного тоннеля метрополитена механизированным щитом планетарного действия. Геологические условия — кембрийские глины. Обделка — из железобетонных тюбингов. В состав комплекса (рис. 356) входят: шестидисковый механизированный щит планетарного действия 1, двурычажный тюбингоукладчик 2 с полым валом, помещенный на подвижном помосте, рольганг 3, два транспортера 4 общей длиной 30 м, располагаемых на облегченных тележках-опорах. Погрузка породы в составы вагонеток осуществляется непрерывно. Откатка — электровозная. Тюбинги j контейнеры со смесью для нагнетания подают на платформенных вагонетках.
На свободной части лотка ведут чеканочные работы и укладку жесткого основания. В пределах длины транспортера располагают растворный узел 5, монорельс с тельфером 6 и бункер 9.
В этом комплексе также обеспечено совмещение во времени всех производственных процессов. Механизированный щит передвигают заходкамн до 55 см. После второй передвижки одновременно с дальнейшей проходкой собирают кольца обделки двурычажным укладчиком.
Весь технологический комплекс перемещают вместе со щитом при помощи стальных тяг, при этом происходит удлинение контактного провода 8, сматываемого с катушки 7. Скорость сооружения по циклограмме (рис. 357) 3 м/смену.
Такая схема организации работ позволяет комплексно механизировать все процессы работ за щитом и довести скорость проходки до 18 м в сутки и 320 м в месяц, что не является пределом.
Пятая схема. На современном этапе механизированного тоннелестроения в условиях мелкого заложения тоннелей в песчаных неводонасыщенных грунтах применяется щитовая проходка с обделкой из железобетонных блоков сплошного и ребристого сечения.
В состав комплекса (рис. 358) входит щит с рассекающими перегородками 1, распределительное кольцо 2, блокоукладчик 4, подвижная технологическая платформа 6, соединенная со щитом, на которой располагаются откаточные пути и погрузочная машина 3, передвижной растворный узел 5 и вспомогательная тележка для работ по чеканке и контрольному нагнетанию.
К особенностям щита относится его оборудование дополнительными перегородками, что обеспечивает систему крепления забоя при помощи песчаных призм-осыпей, образующихся при вдавливании щитов с рассекающими перегородками. Параметры таких перегородок (количество, расположение, углы
Рис. 356. Комплекс оборудования за щитом планетарного действия (шестидисковыы! 358
1 | Наименование работы Единица, измерения Объем на цикл Продолжи тельность работы 6 ч Часы смены
1 2 3 4 5 6
Разработка забоя м3 73,5 4 1МВ
Погрузка породы п 73,5 4, 1 мм мм
Передвижка щита м 3 1,5 м м м м
Монтаж обделни кольцо 3 1,6 ММ мв ^м
Подача тюбингов 3 1,5 мв а
,Доболчивание обделни If 3 3
J Нагнетание раствора м3 4,5 5,7
;Чеканка швов м 63 6
I Технологический перерыв » - 1,5 в в м Bi
Рис. 357. Циклограмма на сооружение 3-м тоннеля в смену
заострения и др.) подбирают с учетом физико-механических свойств песков. Такая система крепления забоя приводит к увеличению скорости проходки и снижению затраты труда и материалов.
Боковые ячейки щита ограждают инвентарной затяжкой или активными механизмами челюстного типа, так как даже в процессе ведения работ может потребоваться относительное смещение горизонтальных перегородок в целях нахождения наиболее целесообразного решения.
Проходку ведут по следующей схеме.
При вдавливании щита при помощи домкратов на 0,5 м песок осыпается из средних ячеек верхнего и среднего ярусов и погружается в вагонетки при помощи высокопроизводительной машины, например ППМ-4. При этом остающиеся на всех площадках песчаные призмы служат средством временного крепления забоя. Необходимо вести весьма тщательный надзор за состоянием забоя во избежание выпуска излишних объемов песка.
После двух передвижек щита собирают очередное кольцо тоннельной обделки.
Одновременно с этими работами и непрерывно в течение всей смены ведут первичное нагнетание песчано-цементного раствора за первое и второе кольца обделки с использованием двух растворонасосов, помещенных на передвижном растворном узле, оборудованном средствами механизации всех процессов, связанных с нагнетанием.
Работы по чеканке швов осуществляют с использованием передвижной тележки, снабженной выдвижными площадками.
Контрольное нагнетание ведут в этом случае после работ по чеканке на расстоянии 70—80 м от последних, что приводит к экономии затрат времени
Рис. 358. Комплекс оборудования за щитом с рассекающими перегородками
Наименование работы Единица измерения Количество на 1 м тоннеля Продолжительность операции В мин \0ocmaB | звена Часы смены
1 2 3 5 б 7 В
ПередВижка. щита с отбором породы м3/м 25/1 В
Погрузка породы м’ 25 1
Откатка породы и доставка блоков м3/кольцс 25/1 ВО 2-5 5 2 5 2 5 2 5 5 2
Очистка лотка и уборка домкратов м 1 10 В
Наращивание пути >’ 1 В Б
Монтаж кольца кольцо 1 J2 9
Обжатие кольца 1 б- 9 и
Первичное нагнетание 1,4 9В 2
Прочие работы - - 9В 1-2 1 2 1 2 1 2 / 2
Рис. 359. Циклограмма на сооружение 5-м тоннеля в смену
за счет упразднения временного уплотнения швов и гарантирует хороший контроль качества работ.
Успех работ поточным способом зависит от технологической связи элементов проходческого комплекса и организационной связи участников комплексной бригады.
Все подземные работы согласно циклограмме (рис. 359), рассчитанной на сооружение 5 м тоннеля в смену, выполняются комплексной бригадой из 17 чел. в смену. Благодаря четкости организации работы всех звеньев комплекса на Московском метрострое наибольшая достигнутая скорость сооружения тоннеля составила 7,65 пог. м за восьмичасовую смену, среднесуточная скорость — 12 пог. м и месячная — 400 пог. м.
Шестая схема. Сооружение перегонного тоннеля с монолитно-прессованной обделкой. Применяемые для этой цели в практике отечественного тоннелестроения комплексы оборудования и схемы организации работ различаются по технологии прессования бетонной смеси в зависимости от характера пород.
Рис. 360. Комплекс оборудования при монолитно-прессованной обделке (в сыпучих породах)
В мягких и сыпучих породах (рис. 360) прессование бетонной смеси, нагнетенной в кольцевое пространство между оболочкой 17 щита и переносной опалубкой 5, осуществляют в процессе перемещения щита 1 при помощи щитовых домкратов 18 и распределительного кольца 2, шарнирно прикрепленного к нескольким из них. В верхней части этого кольца имеется патрубок 16 с затвором icM. рис. 360 — узел Д). Усилия вдавливания щита, реализуемые для прессования бетонной смеси, приводят последнюю в напряженное состояние переменной интенсивности — большей под защитой оболочки щита (при толщине кольца а) и меньшей за ее пределами (при толщине кольца Ь). Ввиду такого переформирования по толщине кольца обделки происходит некоторое снижение прочности бетона, что требует повышения его марки на 15—40%. Значительные усилия прессования могут привести к разрыву оболочки щита.
Входящая в комплекс разборно-переносная опалубка состоит из 12 секций шириной 50—60 см, представляющих каждая шарнирную конструкцию из двух звеньев 14 и 15 (см. рис. 360, сечение Б—Б). Количество секций принимают в зависимости от двух параметров —скорости возведения обделки и времени ее выстойки для получения = 100 кгс/см2. Средством для перемещения опалубки служит перестановщик 8, а его опорой — транспортный мост 7 из двух двутавровых балок, опертых одним концом на щит, а другим—на подвижную опорную стойку. После переноса и установки в два приема последней секции опалубки в новое положение под оболочкой щита нагнетают в требуемом объеме бетонную смесь по бетоноводу 6 из пневмобетоноукладчиков 11, подключенных к ресиверу сжатого воздуха 12.
Для улучшения подвижности бетонной смеси используют съемный вибратор. После заполнения перекрывают бетоновод, включают щитовые домкраты от насосных установок 9, приступают к постепенному прессованию бетонной смеси. При этом соблюдают следующий режим: в первый период (5—6 мин) создают давление до 5 кгс/см2, а затем его доводят до расчетного. Таким образом, создают обделку требуемой конфигурации, включая плоский лоток 4.
Разрабатываемую породу перемещают по трем транспортерам: головному 3, главному 7, помещенному между балками, и перегружателю 10 в бункер 13 и далее в вагонетки (см. рис. 360, сечение В—В). Скорость проходки таким способом составляет 2 м/смену. В породах средней крепости и крепких прессование бетонной смеси возможно за пределами оболочки щита непосредственно между поверхностью выработки и опалубкой. При этом обделка приобретает сразу требуемую толщину без переформирования.
Проходку тоннеля осуществляют механизированным щитом (например, планетарного действия). Возможно применение прессования по двум вариантам. По одному из них (рис. 361, а) бетонную смесь прессуют за пределами оболочки щита 2 при помощи щитовых домкратов и распределительного кольца 3. При этом все процессы выполняют последовательно, начиная с разработки породы выдвижным рабочим органом 1 с последующим перемещением корпуса щита в два приема.
После окончания этих работ тюбингоукладчик вместе с платформой передвигают к забою и собирают обделку. Одновременно с проходкой выполняют первичное и контрольное нагнетание за обделку, а после окончания монтажа обделки — заряжание и взрывание шпуров с последующим проветриванием забоя в течение 10—15 мин.
Для бесщитовой проходки применяют комплекс механизмов КМ-14, обеспечивающих выполнение основных работ по сооружению тоннеля.
В головной части комплекса находится тюбингоукладчик шагающего типа (рис. 364), обеспечивающий доступ к верхней части забоя с использованием выдвижных платформ, а в нижней — погрузку и уборку породы погрузочной машиной ППМ-4 в вагонетки объемом 6,5 м3. Верхняя часть укладчика ограждена тремя выдвижными козырьками 1 с фиксаторами. Платформы и козырьки выдвигают при помощи телескопических домкратов 2.
Рычаг укладчика 3 грузоподъемностью 1 тс имеет увеличенную продольную подачу. Вместе с укладчиком при помощи тяг перемещается тележка в виде стальной конструкции на опорах, скрепленных плитой, с устройством для нагнетания TH-16. На нижней плите 4, снабженной скользящими лыжами 5, расположены откаточные пути. Погрузочные машины пропускаются под конструкцией TH-16.
Для предохранения от воздействия взрыва укладчик снабжен защитными устройствами. Все операции по сооружению тоннеля выполняет бригада из 10 рабочих по циклограмме, что обеспечивает среднемесячную проходку перегонного тоннеля на бригаду 40—50 пог. м.
Бесщитовой способ проходки следует рассматривать как надежное средство сооружения перегонных и станционных тоннелей в устойчивых породах.
При составе автопоезда из двух автосамосвалов с двумя прицепами между ними за 2 рейса может быть вывезена вся порода на заходку 1 пог. м тоннеля, что снижает трудоемкость работ на сооружение 1 пог. м перегонного тоннеля в 1,3—1,8 раза.
Благодаря применению безрельсового транспорта отпадает необходимость в надшахтном комплексе,
§ 102. БЕСЩИТОВАЯ (ЭРЕКТОРНАЯ) ПРОХОДКА
В крепких устойчивых породах применяют проходку с раскрытием полного сечения при помощи тюбинго- или блокоукладчика. Такой способ в отличие от горного получил условное название бесщитового, так какостальные процессы ведутся по аналогии со щитовой проходкой. В процессе проходки станционного тоннеля (рис. 363) непосредственно у забоя располагают тюбингоукладчик 1 и растворный узел 2; на расстоянии 35—40 м от забоя — вспомогательную тележку 7 с растворонасосами 8 для контрольного нагнетания. В головной части тоннеля находится передвижная платформа 5 с расположенной на ней погрузочной машиной 3 и транспортером-перегружателем 4 с бункером 6. Проходческая бригада состоит из 12—14 чел., из них двое управляют погрузочной машиной и рычагом укладчика.
Цикл работ начинают с оборки профиля, установки временной крепи и уборки породы при помощи погрузочной машины с откаткой вагонеток за пределы стрелочного перевода. Всегда должно быть подготовлено достаточное число порожних вагонеток на весь объем взрываемой за цикл породы. Составы перемещают при помощи электровозов по двухколейному пути; для бурения шпуров с площадок укладчика применяют электросверла.
Рис. 363. Комплекс оборудования при бесщитовой проходке
Рис. 364. Тюбингоукладчик шагающего типа
После окончания этих работ тюбингоукладчик вместе с платформой передвигают к забою и собирают обделку. Одновременно с проходкой выполняют первичное и контрольное нагнетание за обделку, а после окончания монтажа обделки — заряжание и взрывание шпуров с последующим проветриванием забоя в течение 10—15 мин.
Для бесщитовой проходки применяют комплекс механизмов КМ-14, обеспечивающих выполнение основных работ по сооружению тоннеля.
В головной части комплекса находится тюбингоукладчик шагающего типа (рис. 364), обеспечивающий доступ к верхней части забоя с использованием выдвижных платформ, а в нижней — погрузку и уборку породы погрузочной машиной ППМ-4 в вагонетки объемом 6,5 м3. Верхняя часть укладчика ограждена тремя выдвижными козырьками 1 с фиксаторами. Платформы и козырьки выдвигают при помощи телескопических домкратов 2.
Рычаг укладчика 3 грузоподъемностью 1 тс имеет увеличенную продольную подачу. Вместе с укладчиком при помощи тяг перемещается тележка в виде стальной конструкции на опорах, скрепленных плитой, с устройством для’ нагнетания TH-16. На нижней плите 4, снабженной скользящими лыжами 5, расположены откаточные пути. Погрузочные машины пропускаются под конструкцией TH-16.
Для предохранения от воздействия взрыва укладчик снабжен защитными устройствами. Все операции по сооружению тоннеля выполняет бригада из 10 рабочих по циклограмме, что обеспечивает среднемесячную проходку перегонного тоннеля на бригаду 40—50 пог. м.
Бесщитовой способ проходки следует рассматривать как надежное средство сооружения перегонных и станционных тоннелей в устойчивых породах.
Глава 24
СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СООРУЖЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ТОННЕЛЕЙ
§ 103. ВИДЫ ТОННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ ЧЕРЕЗ ВОДНЫЕ ПРЕГРАДЫ И ИХ СРАВНЕНИЕ
Выбор способа постройки подводного тоннеля зависит от ширины и глубины пересекаемого водоема или водотока, скорости течения, а также от интенсивности судоходства в месте постройки тоннеля.
В некоторых случаях целесообразно строительство тоннеля открытым способом с использованием временных насыпных дамб, ограждающих участки производства работ. Под защитой дамб проводят водоотлив, искусственное водопонижение и земляные работы по раскрытию выемки, в которой возводится конструкция тоннеля. Готовый участок тоннеля засыпают грунтом, дамбу разбирают и насыпают на следующем участке.
Примером открытого способа может служить сооружение тоннеля под Северным каналом в Голландии, показанного на рис. 365. В осушенной при помощи системы многоярусного водопонижения А, В и С выемке рядом размещены два тоннеля: левый — двухпутный железнодорожный, правый—четырехполосный автомобильный.
Значительно более широко применяется постройка подводных тоннелей способом опускных секций, которые представляют собой отдельные звенья конструкции длиной до 150 м. Секции изготовляют подобно судам на стапелях или в сухих доках, сплавляют к месту постройки, опускают поочередно на подготовленное основание и стыкуют под водой. Постройка секций выполняется индустриальными способами, а процесс их сборки в готовый тоннель сравнительно мало трудоемок. Если все секции для тоннеля изготовлены, то сама сборка протекает в короткие сроки, измеряемые несколькими неделями или месяцами.
В зависимости от условий подводные тоннели из опускных секций могут быть расположены на различных основаниях (рис. 366). При глубине русла 20—30 м секции опускают на дно котлована, подготовленного подводным землечерпанием (рис. 366, а). Глубина котлована назначается с таким расчетом, чтобы после засыпки секции и восстановления прежнего уровня дна водного препятствия над тоннелем залегал слой грунта толщиной не менее 2 м.
При больших глубинах и малых скоростях течения секции тоннеля можно размещать на подводной насыпи, если такое сооружение не вызывает помех судоходству (см. рис. 366, б). В случае значительных глубин водного препятствия секции тоннеля устанавливают на отдельные опоры (см. рис. 366, в, продольный разрез). Последний вариант получил название тоннеля-моста. В этом случае так же, как и при использовании насыпей, тоннель не должен стеснять судоходство.
Рис. 365. Поперечное сечение выемки и тоннелей, сооружаемых открытым способом
Рис. 366. Варианты основания опускных секций:
а — дно котлована; б — подводная насыпь-, в
отдельные опоры
Из рассмотренных вариантов основания чаще применяют опускание тоннеля на дно подводного котлована. Случай расположения тоннеля на насыпи — редкий. Использование для поддержки секций тоннеля-моста отдельных опор пока нашло выражение только в форме проектов.
В современной практике подводного тоннелестроения выработались оптимальные глубины расположения тоннеля относительно среднего горизонта воды. Они находятся в пределах 20—35 м. Такая глубина не вызывает больших нагрузок от гидростатического давления, обеспечивает безопасный пропуск судов и позволяет в случае необходимости использовать труд водолазов.
С изобретением щитового способа проходки тоннельные переходы через водные преграды стали конкурировать с мостовыми переходами. Появление в начале XX в. конструкций подводных тоннелей из опускных секций усилило эту конкуренцию, значительно потеснив мостовые способы переходов (см. §71).
При сравнении двух тоннельных вариантов, одного — со щитовой проходкой, а другого — из опускных секций, необходимо иметь в виду, что щитовой вариант требует значительного заглубления тоннеля относительно дна водотока в устойчивые породы с целью исключения возможности прорыва сжатого воздуха, а также тенденции к всплытию. Вариант из опускных секций требует минимального заглубления и, кроме меньшей бесполезной высоты подъема грузов при эксплуатации, отличается большей индустриальностью изготовления элементов сооружения и меньшей трудоемкостью их сборки. Кроме того, при этом способе отпадает необходимость ведения работ под сжатым воздухом. Конструктивные формы опускных секций отличаются значительно большим разнообразием, чем у тоннелей, сооружаемых щитами.
§ 104. КОНСТРУКЦИИ ОПУСКНЫХ СЕКЦИЙ
Первые тоннели из опускных секций, построенные в США, имели форму поперечного сечения, близкую к круговой.
На рис. 367 приведены примеры поперечных сечений таких секций, рассчитанных на Две полосы движения автомобилей. Конструкции имеют сплошную двойную обшивку из стальных листов, толщиной 8—12 мм — внутреннюю / и наружную 2, обеспечивающую гидроизоляцию тоннеля. Внутренняя стальная оболочка поддерживается железобетонной цилиндрической конструкцией 3, соединенной с плитой проезжей части 4. Секция, показанная на рис. 367, а, изготовлена в начале тридцатых годов. Она имеет два вентиляционных канала — нижний, под проезжей частью, и верхний. Наличие двух каналов позволяет применить самую эффективную систему вентиляции тоннеля.
Секция более позднего изготовления (шестидесятые годы) показана на рис. 367,6. С целью увеличения ее остойчивости верхняя часть секции облегчена путем изменения формы и исключения промежуточного перекрытия, об-366
Рис. 367. Поперечные сечения круговых секций: а — с двумя вентиляционными каналами; б — с одним вентиляционным каналом
разующего верхний вентиляционный канал. Отказ от второго канала позволяет повысить уровень расположения плит проезжей части. Это улучшает эксплуатационные показатели, уменьшая бесполезную высоту подъема грузов, но ухудшает возможности вентиляции, которая выполняется по полупоперечной схеме.
В рассмотренных конструкциях внутренняя и наружная стальные оболочки соединены поперечными стальными диафрагмами 6, как показано на продольном разрезе рис. 367, б. К внутренней оболочке приварены продольные ребра 5, выполняющие роль жесткой арматуры. Пространство между оболочками в процессе изготовления секции заполняют бетоном.
Наружная стальная обшивка защищена от коррозии. Для изоляции вначале применяли окраску суриком, позднее — покрытие рулонными изолирующими материалами.
Форма секций кругового очертания рациональна при работе на главную внешнюю нагрузку — гидростатическое давление, от которого в подобных конструкциях возникают преимущественно нормальные силы. Секции имеют избыточные против действующих габаритов сечения, которые довольно удачно используются для размещения вентиляционных каналов. Однако в коротких тоннелях каналы таких больших сечений не требуются. Секции круговой формы имеют длину 70—100 м.
В конце тридцатых годов в связи с развитием железобетонных конструкций в Европе начали применять секции прямоугольного поперечного сечения. Такая форма позволяла более рационально использовать внутреннее пространство тоннеля. Для изоляции наружной поверхности со стороны лотка применяют стальные листы, а стены и перекрытие изолируют только с наружной стороны покрытием битумом или гибкими рулонными материалами.
Для уменьшения водопроницаемости, а также веса элементов секции в ряде прямоугольных железобетонных конструкций применялось предварительное напряжение арматуры. Опыт эксплуатации таких конструкций показал, что одно предварительное напряжение не обеспечивает их водонепроницаемости.
На рис. 368 показаны схемы прямоугольных поперечных сечений опускных секций: тоннеля в Гаване (см. рис. 368, а) и тоннеля им. Кеннеди в Антверпене (см. рис. 368, б), по ширине являющегося самым крупным в мире. В обеих конструкциях с целью снижения веса их элементов и повышения водонепроницаемости применено продольное и поперечное предварительное напряжение арматуры. Гидроизоляция секций комбинированная: лотковая часть по наружной поверхности защищена стальным листом J, астены и перекрытие — битумной изоляцией 2.
Тоннель в Гаване предназначен для движения автотранспорта. Каждый из его широких боковых отсеков разделен на две неравные части. В больших 367
Рис. 368. Поперечные сечения прямоугольных секций тоннелей в Гаване (а) и Антверпене (б)
Рис. 369. Конструкция дискового анкера
частях размещено по две полосы автомобильной дороги. Меньшая часть, предназначенная для вентиляционного канала и размещения различных коммуникаций, располагается с наружной стороны.
В большом тоннеле проходят шесть полос автомобильной дороги в двух отсеках с шириной проезжей части каждого 12,25 м. Небольшой отсек между ними шириной 4 м — вентиляционный и коммуникационный. В левом отсеке проходит двухпутная железная дорога. Длина прямоугольных секций 100— 150 м.
Стальную гидроизоляцию лотковой части этих секций так же, как и в круговых секциях, покрывают смолистыми веществами.
Для предохранения гибкой изоляции от механических повреждений ее покрывают защитным слоем из слабо армированного бетона 2 (рис. 369), который связан с железобетоном несущей конструкции при помощи дисковых анкеров 3. Нарезанная часть анкера проходит через отверстие в гидроизоляции, герметизируемое при помощи двух шайб 1.
Кроме рассмотренных форм поперечных сечений, применяют комбинированные формы, преимущественно в США, когда в одном сечении располагают два отсека кругового или подковообразного очертания. Подобная конструкция применена в самом длинном (5,8 км) и глубоко погруженном тоннеле в мире, построенном в заливе Сан-Франциско (рис. 370) способом опускных секций. Тоннель предназначен для двухпутной скоростной железной дороги, пути которой расположены в больших боковых отсеках. В среднем отсеке, разделенном на две части горизонтальной перегородкой, устроены два вентиляционных канала: нижний—-для подачи свежего воздуха, верхний — для отвода загрязненного.
При перемещении секции на плаву и дальнейшем опускании в проектное положение имеет значение ее
Рис. 370. Поперечное сечение комбинированной секции
плавучесть, зависящая от соотношения веса конструкции и веса вытесненной ею при полном погружении воды. Если это соотношение больше единицы, секция имеет отрицательную плавучесть, меньше единицы — положительную. В последнем случае при опускании секции в проектное положение ее плавучесть регулируется посредством временных балластных резервуаров. которые помещают внутри конструкции и затопляют водой.
§ 105. СООРУЖЕНИЕ ПОДВОДНЫХ ТОННЕЛЕЙ ИЗ ОПУСКНЫХ СЕКЦИИ
В связи с тем что готовые секции от места их постройки до места сборки » тоннель буксируют по воде с использованием их плавучести, т. е. при наиболее дешевом виде транспорта, место изготовления секций может быть выбра-зд неограниченно далеко от места расположения тоннеля (по данным опыта ДНА, до нескольких тысяч километров).
Опускные секции могут быть изготовлены на стапелях, подобно морским с\дам. на одной или нескольких верфях в различных местах, либо в сухих доках. Если число изготовляемых секций велико, то целесообразно на берегу водотока подготовить осушенный котлован с отметкой дна на 8—10 м ниже уровня воды, отделенный от русла временной перемычкой или затвором, открываемым после изготовления секции или партии секций для затопления котлована а вывода секций на плаву в водоток.
После восстановления перемычки и осушения котлована начинается новый цикл работ по изготовлению конструкций. В процессе изготовления секции ее торцы герметично закрывают временными диафрагмами, оборудованными устройствами, облегчающими процесс стыкования. Диафрагмы несколько углублены относительно торцов секции так, чтобы в процессе стыкования между ними образовалось замкнутое пространство — стыковая камера, роль которой поясняется ниже.
Обычно секции проектируют так, чтобы в законченном виде они имели хотя бы небольшую отрицательную плавучесть, гарантирующую от необходимости принятия мер против всплытия тоннеля. Однако в этом случае приходится для удержания секций на плаву соединять их с понтонами или, для секций круговой формы, заполнять лишь частично пространство между стальными оболочками бетоном до спуска на воду. Такой процесс продолжается з плавучем состоянии секции, а заканчивается только после ее доставки на место опускания.
Перед опусканием секции в проектное положение в дне водотока, например подводным землечерпанием, разрабатывают котлован, откосам которого придают уклон, зависящий от степени устойчивости донных отложений, скорости и направления течения, а также от содержания в потоке взвешенных частиц грунта, которые могут осаждаться в котловане, образуя намывы, затрудняющие опускание секций в проектное положение. Вопрос о назначении уклонов откосов котлована решается в процессе гидрологических исследований водотока.
Дальнейшую подготовку основания выполняют несколькими способами-В одних случаях на дно котлована укладывают слой песка, мелкого гравия или щебня толщиной 50—100 см. Сыпучие материалы направляют с баржи вниз по трубам и выравнивают специальным планирующим устройством, подвешенным к тележке, которая перемещается по фермам, установленным на двух баржах. Точность выравнивания насыпного основания ± 3 см.
В других случаях секция опирается на дно котлована через четыре угловых железобетонных опорных блока, подвешенных и связанных попарно в поперечном направлении стальными трубчатыми элементами. Конструкция опорного блока 5, его прикрепление к секции 2 и связи между блоками схематически показаны на рис. 371. Там же показано соединение секции с опорным блоком при помощи короткой стальной поддомкратной стойки, проходящей через отверстие в нижней плите в нишу в стене секции. Регулировочный домкрат 1 опирается в верхнюю стену ниши. Аналогичное устройство, позволяющее регулировать положение секции в плане, размещено горизонтально в лотковой части тоннеля.
Более ограниченное применение имеет третий способ — опускание секций на бетонные ростверки кустов свай или анкеров, укрепленных в дне котлована. В этом случае ростверк используется также для закрепления тросов, подтяги-
Рис. 371. Соединение опорного блока с сек- Рнс. 372. Схема намыва песка под секцию цией
вающих секцию с положительной плавучестью в проектное положение посредством полиспастов.
При опускании секции на опоры ограниченной площади — угловые блоки или ростверки — между большей частью нижней поверхности лотковой плиты и дном котлована остается свободное пространство, заполненное водой. В это пространство при помощи специальной установки намывается песок, как показано на рис. 372. Установка 3 представляет собой пространственную сквозную тележку, перемещаемую по рельсам. Ее верхняя часть, с которой производится управление процессом намыва, находится выше уровня воды. Песок всасывается по трубе / из баржи 2 и нагнетается в полость под секцией. Эффективность намыва увеличивается благодаря тому, что через две трубы 4, расположенные рядом с трубой для песка, производится отсос воды.
Способ опускания секций выбирают в зависимости от условий судоходства в месте расположения тоннеля.
В широких водотоках или водоемах, где неподвижные суда, обслуживающие процесс опускания, не стесняют судоходство, используется отрицательная плавучесть секции и ее опускание проходит, как показано на рис. 373. Если плавучесть секции положительная, то изменение ее знака при таком способе опускания достигается заполнененим водой балластных резервуаров 2, помещенных внутри конструкции 1.
При интенсивном судоходстве стремятся исключить необходимость в плавучих опускных средствах. Секция с незначительной положительной плавучестью подтягивается тросами / при помощи лебедок 2 к бетонным ростверкам 3 на дне котлована, как показано на рис. 374. Лебедки размещены на рабочих площадках высоких рам, остающихся над поверхностью воды и после опускания секции.
В геодезических работах при устройстве подводной траншеи иопускании секций используют лазеры, луч которых в ясную погоду виден на расстоянии до 8 км. Вертикальные отметки определяют и контролируют с помощью лотов
Рис. 373. Схема опускания секции с отрицательной плавучестью
2
Рис. 374. Схема опускания секции с положительной плавучестью
различных систем: от простейших при отсутствии течения воды до самых сложных при сильном течении, когда используются эхолоты и ультразвуковые шаблоны. Перед опусканием на концах каждой секции монтируют две геодезические вышки, разбираемые после установки конструкции в проектное положение.
Процесс опускания необходимо закончить установкой секции в положение, настолько близкое к проектному, чтобы между торцами секций оставалось расстояние 20—30 см, позволяющее соединить стыковочные устройства. Вместе с тем не должны быть допущены удары одной секции о торец другой во избежание повреждения герметизирующих устройств. В водотоках с быстрым течением выполнение этих условий сопряжено со значительными трудностями. Поэтому для облегчения точной установки секции применяют различные улавливающие и ограничивающие устройства (рис. 375), например в виде стальных упоров ] и 4, размещенных на съемных выступах 2 торцовых диафрагм 3.
Управление процессом стыкования можно вести из неподвижной секции. Для этого в торцовой диафрагме устраивают иллюминатор и освещение стыковой камеры, а рядом устанавливают пульт управления. Условия для работы внутри секции — обычные, так как она сообщается с атмосферой.
Одним из самых ответственных процессов строительства подводного тоннеля является подводное стыкование секций друг с другом. Ранние приемы стыкования выполнялись при участии водолазов и в специальных кессонах, перекрывающих стык. В месте соединения секций подводным бетонированием хстраивали бетонный объемный воротник, после чего временные торцовые диафрагмы разбирали и изнутри выполняли гидроизоляцию стыка. Позднее стыкование осуществлялось посредством раструба, форму которого придавали одному из торцов секции. В этот раструб заводили торец другого элемента конструкции.
Принципиально иное решение, позволяющее выполнять стыкование без участия водолазов, было впервые применено для прямоугольных секций. Су-
Рис. 375.
Схема улавливающего устройства
Рис. 376. Схема стыковой камеры
Неуравновешенное давление грунта -
Рис. 377. Фазы стыкования:
-' — I фаза — давление иа оба торца секции; о — II фаза — неуравновешенное давление на один торец; ! — опускаемая секция; 2 — установленная секция
щество этого решения в том, что в торце обделки одной из стыкуемых секций по всему периметру стыка укрепляют резиновую прокладку, обеспечивающую герметичность стыковой камеры (рис. 376) — пространства, ограниченного временными торцовыми диафрагмами секций. Стыкуемую секцию 1 соединяют шарнирным замком 3 с секцией 2, опущенной ранее, и подтягивают к ней при помощи домкратов 4, развивающих усилие в несколько сотен тонн. При этом резиновое уплотнение подвергается предварительному обжатию. Пространство стыковой камеры герметизируется, н при выпуске из него некоторого количества воды гидростатическое давление на свободный про-
тивоположный торец стыкуемой секции становится неуравновешенным и сжимает стык с усилием в несколько тысяч тонн. Фазы стыкования с исполь-
зованием неуравновешенного гидростатического давления на торец секции показаны на рис. 377. Так достигается окончательное обжатие резинового уплотнения н полная герметизация стыковой камеры.
После выпуска воды из камеры приступают к разборке торцовых диафрагм и оборудованию постоянной конструкции стыка, обеспечивающей его гидроизоляцию и некоторую подвижность. Простейшим способом является заделка шва между секциями листовой сталью, привариваемой к закладным деталям на торцах секций, н последующее заполнение полостей за стальной изоляцией нагнетанием бетонной смеси.
Более сложная конструкция постоянного стыка показана на рис. 378, где шов перекрыт с внутренней стороны профилированным листом 5 из нержавеющей стали и поддерживается внутренним железобетонным кольцом.?, разделенным на две части прослойкой из битума 4 и полистирола 1. Шов в монолитном кольце дополнительно перекрыт специальным резиновым профилем 2, проходящим по всему периметру стыка с внутренней стороны. На схеме узла А показано резиновое уплотнение до обжатия. Такой стык обеспечивает водонепроницаемость конструкции при неравномерных осадках секций, достигающих 10—20 см. Соединение русловой части подводного тоннеля с береговой может быть выполнено открытым способом в осушенном котловане, если последняя секция засыпана грунтом, выполняющим роль ограждающей дамбы. В этом случае еще до обнажения берегового торца последней секции перед ним необходимо поставить упоры для того, чтобы сохранить обжатие стыков
тоннеля, выполненное благодаря использованию неуравновешенного гидростатического давления в процессе соединения русловых секций.
После стыкования секций котлован засыпают песком, гравием или щебнем заподлицо с дном водотока. Засыпка, лежащая на перекрытии сек-
ции, выполняет роль балласта, увеличивающего ее вес. Для этой же це-® ли в секциях, конструкции которых имеют большую положительную плавучесть, могут быть устроены специальные боковые «карманы», заполняемые сыпучим материалом. Кроме того, насыпной грунт предохраняет секции от ударов сброшенного якоря или случайно затонувшего
Рис. 378. Постоянная конструкция стыка судна.
§ 106. ОПУСКНЫЕ ТОННЕЛИ-КЕССОНЫ
Способ сооружения опускных тоннелей-кессонов имеет много общего со способом сооружения тоннелей из опускных секций. Тоннель также собирают з готовых секций, но опускание их на проектные отметки выполняется кессонным способом. На рис. 379 показана тоннель-кессонная секция в начальной стадии опускания. В основании секции размещена кессонная камера 2, в торцах — временные диафрагмы 3. Наращиваемая шахтная труба 1 имеет конеч-вую высоту, достаточную для того, чтобы после опускания кессонной секции верх трубы был выше горизонта воды.
В сооружении подводных тоннелей способ опускных кессонов имеет ограниченное применение в связи с развитием более прогрессивного способа опускных секций. Однако вне водных преград при постройке коротких и сравнительно неглубоко, до 35 м, заложенных участков тоннеля в слабых водоносных грунтах опускные кессоны могут успешно конкурировать со щитовой проходкой и приемами, основанными на искусственном укреплении грунтов.
Тоннель-кессонные секции изготовляют на поверхности земли или для сокращения объема кессонирования—в котловане, отрытом до уровня грунтовых вод. При использовании искусственного водопонижения глубина котлована может быть увеличена. Материалом тоннель-кессонной секции служит железобетон. Гидроизоляция — наружная или внутренняя из стальных листов. Если кессонные секции устанавливают по трассе тоннеля, большая часть которого построена шитовым способом и выполнена из чугунной обделки, то внутреннюю конструкцию секции также собирают из чугунных тюбингов. Внутренний габарит в кессонных секциях несколько увеличивается для компенсации возможных неточностей при опускании.
По мере опускания секции давление в кессонной камере повышают. Максимальная величина заглубления ниже горизонта воды—35 м. По достижении секцией проектных отметок кессонная камера заполняется бетоном, и, таким образом, в основании конструкции образуется мощная бетонная плита.
Смежные секции опускают так, чтобы в проектном положении между ними остался целик грунта толщиной 1—3 м. Для создания непрерывной тоннельной конструкции необходимо выполнить соединение — стык секций между обой. Это соединение выполняют одним из способов, перечисленных ниже:
1) В торцовой части одной из стыкуемых секций оборудуют небольшую шлюзовую камеру. Под сжатым воздухом во временной диафрагме раскрывают проем и через него проходят короткую штольню до диафрагмы другой секции. Из штольни раскрывают выработку на все сечение тоннеля и бетонируют обделку тоннеля в промежутке между секциями. После устройства гидроизоляции стыка полностью разбирают временные диафрагмы, а тоннель-кессонные секции начинают работать совместно, объединенные стыком, равнопрочным конструкции. 2) Область стыка с поверхности ограждают шпунтом, под защитой которого канатно-храповым экскаватором удаляют водоносный грунт, и между торцами секций остается только вода, которая вытесняется бетонной смесью, поданной по трубам. После приобретения уложенным в стык бетоном проектной прочности разбирают временные диафрагмы, пробивают внутреннюю часть бетонного массива между секциями и устраивают гидроизоляцию.
3) Бетонный воротник, охватывающий торцы обеих секций, выполняют при помощи трех специальных стальных кессонов небольших размеров. Два
Рис. 379. Схема конструкции тоннель-кессонной секции
из них опускают до отметок подошвы секций у стен и по мере их подъема бетонируют вертикальные участки воротника, прилегающие к стенам секций. Затем опускают третий кессон, опирающийся на перекрытия секций и боковые бетонные части воротника. Из этого кессона разрабатывают целик грунта между секциями и бетонируют лотковую и верхнюю части воротника. Остальные работы выполняют так же, как и в предыдущих способах.
Кроме недостатков, общих для всех работ, выполняемых под сжатым воздухом, способ опускных тоннелей-кессонов отличается высокой стоимостью, связанной со значительным расходом бетона, большая часть которого идет на заполнение кессонной камеры, а также с необходимостью перемещения большого количества грунта в зоне сжатого воздуха. Выполнение стыка—также очень трудоемкая и многоэтапная операция, выполняемая в стесненном пространстве. В связи с трудностью обеспечения качества при подводном бетонировании стыковым воротникам секций придают большие запасы по толщине.
Развитие способа тоннелей-кессонов идет в направлении создания автоматических кессонов, исключающих нахождение рабочих в зоне сжатого воздуха. В таких кессонах грунт разрабатывается гидромониторами и перемещается в виде пульпы.
§ 107. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ПОДВОДНЫХ ТОННЕЛЕЙ ИЗ ОПУСКНЫХ СЕКЦИЙ
Подобно другим тоннельным конструкциям обделки подводных тоннелей в период от начала строительства до введения тоннеля в эксплуатацию проходят различные стадии работы, особенность которых заключается в том, что при переходе от одной стадии к другой резко изменяются внешние нагрузки, а также среда, окружающая конструкцию.
В период строительства отдельных секций в доке или на стапелях нагрузка от их собственного веса передается на опалубку и кружала, несущая способность которых определяется обычными приемами. После разборки кружал обделка сама начинает работать на эту нагрузку. Однако к этому времени материал конструкции железобетон уже набирает прочность, вполне достаточную для того, чтобы нагрузка от собственного веса не вызвала в обделке сколько-нибудь существенных деформаций.
При затоплении дока или котлована конструкция легко всплывает даже при незначительной плавучести, так как при строительстве принимаются специальные меры, исключающие необходимость отрыва нижней поверхности секции от основания. Такой способ не вызывает перегрузки элементов конструкции и не требует специальной проверки их прочности.
Совершенно необычные условия для секции возникают, если ее спускают на воду со стапелей. Например, секцию перемещают боком по двум направляю-
Рис. 380. Расчетная схема опускной
секции при спуске по направляющим
Рис. 381. Расчетная схема опускной секции как двухкопсольной балки
иям, притормаживая ее движе-еве лебедками. В этом случае инструкция будет работать ждк пространственная по схеме оболочки (рис. 380). Нагрузка сг собственного веса на этой схеме условно не показана.
Упрощенные расчетные схемы в виде двухконсольной бал-«и и рамы показаны на рис. 381. Практически упрощенный расчет
Рпс. 382. Расчетные схемы опускпой секции па плаву:
а — на нершнне волны; 6 — на подошве волны
является сочетанием двух расче-
тэв: балки и рамы. Расчет балки позволяет определить продольные усилия в конструкции, а расчет рамы — поперечные усилия. Последние определяются с запасом, так как в расчетной схеме плоской рамы не учитывается «.озместная работа смежных сечений. Расчетные поперечные усилия должны быть увеличены умножением их на коэффициент, больший единицы, учитывающий динамический характер нагрузки, возникающей при скольжении секции по направляющим. При перемещении готовых секций на плаву от места их
сооружения до места опускания в проектное положение могут возникнуть усилия от воздействия волн. Расчет секции для этой стадии их работы выполняют
по методам расчета судов.
Известно, что наиболее опасной для общей прочности плавучего сооружения является встреча с волной, равной его длине (рис. 382). В качестве расчетных рассматриваются положения на вершине (рис. 382, а) и подошве волны рис. 382, б) при действии на конструкцию сил веса g и сил поддерживания р. Проверяют также прочность судна на «косой волне», когда его носовая и кормовая оконечности одновременно находятся па разных склонах двух соседних волн. Определение внутренних усилий в плавучем сооружении от ударов волн в его стенки выполняют по формулам динамического расчета судовых конструкций, приведенным в специальной литературе1.
В процессе опускания секции нагрузка на нее от гидростатического давления постепенно увеличивается и достигает максимума, когда секция опущена до проектной отметки. Если секция установлена на дамбе, то эта нагрузка является главной при определении несущей способности конструкции.
После засыпки тоннеля, расположенного в котловане, нагрузка на него еще возрастает. В этих условиях необходимо рассчитывать конструкцию на совместное действие гидростатического давления и давления грунта засыпки с учетом его взвешенности в воде. Подвижная нагрузка от транспорта, проходящего в тоннеле, в связи со значительным собственным весом сооружения мало влияет на статическую работу конструкции.
К числу особых внешних силовых воздействий на тоннель относится нагрузка от затонувшего судна.
В водоемах, ширина которых в несколько раз превышает расчетную длину судна, последнее может занять относительно тоннеля любое положение. Самым невыгодным будет расположение корабля непосредственно над тоннелем и вдоль него, когда вся тяжесть судна передается на опускные секции. Этот случай чрезвычайно редкий и в более чем полувековой практике эксплуатации подводных тоннелей еще не встречался. Возможность его возникновения должна быть установлена методами теории вероятностей.
В сравнительно узких руслах возможно расположение затонувшего судна поперек тоннеля под углом, близким к прямому. Необходимо установить, какая часть веса корабля передается на дно водоема и какая часть — на перекрытие тоннеля. Это зависит от соотношения податливостей грунта и конст-
‘Шиманский Ю. Л. Динамический расчет судовых конструкций. Судпром-гиз, 1963.
Ловягин М. Л. и др. Металлические плавучие доки. Изд-во «Судостроение», 1964.
Рис. 383. К расчету тоннеля как балки па упругом основании:
а— схема тоннеля; б — расчетная схема русловой и береговой частей; в — расчетная схема русловой части
рукции. Очевидно, чем тверже грунт, тем меньшая доля нагрузки будет передана на тоннель.
Нагрузка от давления грунта на подводный тоннель может изменяться по его длине. В береговых частях вне русла она значительно превышает соответствующую нагрузку на русловую часть тоннеля. В связи с воз-
Рис. 384. Расчетная схема секции как плоской рамы
можным изменением нагрузки и свойств грунта основания по длине тоннеля необходимо выяснить его работу в продольном направлении. Воздействие нагрузки от затонувшего судна также требует учета продольной работы конструкции.
Простейшей расчетной схемой для подводного тоннеля, позволяющей выявить продольные внутренние усилия в конструкции, является схема балки на упругом основании. В зависимости от способа соединения элементов тоннеля можно принять балку свободно лежащей или шарнирно опертой по торцам. Случай балки с защемленными концами имеет меньшее
практическое значение.
На рис. 383 под схемой тоннеля (рис. 383, а) показана схема свободно лежащей балки на упругом основании (рис. 383, б). Нагрузка на балку в русловой части постоянная (q), затем в береговой части с увеличением глубины засыпки нагрузка возрастает до максимума (ft) и к концам балки снова снижается (92). Если в начале берегового участка тоннеля сделаны осадочные швы, то рекомендуется другая схема (рис. 383, в). Для подводных тоннелей наибольшее практическое значение имеет схема бесконечно длинной балки.
Однако расчет по схеме балки не дает представления о работе опускных секций в поперечном направлении.
Для определения внутренних поперечных усилий можно воспользоваться схемой плоской рамы (рис. 384), выделив по длине конструкции 1 пог. м. Расчет по плоской схеме справедлив для участков тоннеля значительной протяженности при неизменных нагрузках и однородном основании (см. рис. 384). Здесь, как и для расчета других тоннельных конструкций методом перемещений, рас
пределенное упругое основание заменено упругими опорами (пружинками), поставленными на концах стержней системы. Эпюры нагрузок (q, qx и р) представляют собой суммарное воздействие давления воды, грунта и собственного веса конструкции. Недостаток плоской расчетной схемы состоит в том, что она не позволяет учесть работы смежных сечений, поэтому внутренние
усилия определяются со значительным запасом.
Более исчерпывающие сведения дает расчет опускных секций по схеме оболочки, лежащей на упругом основании. И здесь в зависимости от соединения элементов тоннеля опирание торцов принимают шарнирным, свободным или защемленным. Расчет оболочки позволяет получить внутренние усилия в конструкции как в продольном, так и в поперечном направлении.
Расчеты секций подводного тоннеля, особенно по схеме оболочки, отличающиеся большой сложностью, необходимо проводить при помощи ЭЦВМ.
РАЗДЕЛ IV
МЕТРОПОЛИТЕНЫ
Глава 25
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТРОПОЛИТЕНАХ
§ 108. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О МЕТРОПОЛИТЕНАХ
Метрополитеном называется городская внеуличная железная дорога, состоящая из блок-участков с автостопами, имеющая собственный габарит и предназначенная обычно для пассажирского движения, а в отдельных случаях — для грузовых перевозок.
Существующие линии метрополитенов подразделяются на надземные, наземные и подземные.
Надземные линии метрополитенов располагают на эстакадах на «юте, определяемой габаритами наземного транспорта, рельефом местности условиями городской застройки.
Первые линии метрополитенов, сооруженные в прошлом столетии, были вадземными, так как при поездах с паровой тягой подземные линии метропо-лятеиов трудно эксплуатировать из-за дыма и копоти. С переходом на электрическую тягу надземные линии потеряли свое преимущество. Несмотря на это в некоторых странах продолжали строить линии метрополитенов на эстакадах из-за меньшей их стоимости по сравнению с подземными линиями. Так, капример, в Нью-Йорке протяжение линий метрополитенов, расположенных •а эстакадах, достигало 140 км.
Большое развитие наземные метрополитены получили в Чикаго, Бостоне Филадельфии, Гамбурге. Впоследствии развитие городов потребовало уничто-вгния эстакад и перевода надземных линий под землю. В Нью-Йорке надзем-жые линии с 1956 г. перестали существовать вообще, в Чикаго и других городах их также постепенно заменяют подземными.
В некоторых случаях устройство надземных участков линии метрополитенов оправдывается топографическими особенностями города, особенно при зересечениях рек, автомобильных и железных дорог.
Наземные линии- метрополитенов, т. е. расположенные на поверх-эсти земли, существуют во многих городах мира, и их проектируют в настоя-юее время для концевых участков отдельных линий метрополитенов.
Как правило, наземные линии располагают в малонаселенных районах гсрюда, на его окраинах и чаще всего в выемках, позволяющих в будущем, при развитии города, превратить эти линии в подземные. Наземные линии метро-жхтитеиов отличаются от обычных железнодорожных линий пригородного со-абеення главным образом способом питания электроэнергией.
Подземные линии являются основным видом линий метрополитенов Емеют преимущественное распространение. В большинстве городов мира «ть метрополитена состоит только из подземных линий.
Подземные линии метрополитенов располагают на глубине от 5 до 50 м более от поверхности земли.
Помимо собственно метрополитенов, в некоторых городах мира имеются ^амвайиые и железнодорожные линии, проходящие под поверхностью земли.
Трамвайные линии, расположенные в тоннелях, есть, например, в Афинах, Будапеште и Осло и будут в Ереване. Под поверхностью земли расположен железнодорожные линии в Брюсселе, Копенгагене, Неаполе, Ливерпуле, Везе и других городах. Эти городские железнодорожные линии с расположенное станций на небольшом расстоянии одна от другой (0,5—1,0 км) используютсж населением для передвижения в пределах города и поэтому часто также называются «метрополитенами». Они отличаются от линий метрополитенов габаритами тоннелей, устройствами пути и энергоснабжения.
Во многих городах мира пригородные железнодорожные линии продлены от вокзалов в виде подземных участков в центр города и эксплуатируются независимо от метрополитенов. Такие подземные участки железнодорожных лг-ннй принято называть глубокими вводами и связывать с линиякя метрополитенов при помощи объединенных пересадочных станций или пересадочных тоннелей, расположенных между станциями глубоких вводов и метрополитенов.
Глубокие вводы создают значительные удобства для пассажиров, у.т?--шают связь с пригородами и разгружают городские вокзалы, а также станд?» метрополитенов, расположенные у вокзалов.
Сооружение глубоких вводов требует значительных расходов ввиду высокой стоимости тоннелей, удовлетворяющих железнодорожному габариту. поэтому применяют также другой, более экономичный способ связи пригородных железных дорог с линиями метрополитенов — так называемые вы л е т-н ы е линии метрополитенов. Их выводят за пределы города, прокладывают по поверхности и примыкают к платформам станций пригородных железных дорог. Сооружение вылетных линий обходится значительно дешевле. ?< эксплуатация таких линий, особенно при большой их протяженности и в зимнее время, затруднительна.
В некоторых городах линии метрополитена допускают пропуск железнодорожных поездов, например в Лондоне, где для движения железнодорожных поездов используют некоторые участки линий метрополитена, а в свою очередь для движения поездов метрополитена используют железнодорожные линиь. расположенные в пределах города.
В большинстве городов метрополитены имеют свой собственный габарит и не могут быть использованы для пропуска железнодорожных поездов.
Ширину колеи метрополитенов, как правило, принимают нормальное железнодорожной, т. е. 1520 мм в Советском Союзе и 1435 мм в зарубежных странах. Иногда нормальную железнодорожную ширину колеи (1435 мм) используют на метрополитенах зарубежных стран даже в тех случаях, когда железнодорожные пути данной страны имеют широкую колею (1674 мм), как например, в Испании и Аргентине, или узкую (1067 мм), как в Японии.
§ 109. ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛИНИЙ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
Обоснованием необходимости сооружения метрополитена служит интенсивность пассажиропотоков, увеличивающаяся с развитием города и ростом его населения.
Существующий городской транспорт (автобусы, троллейбусы и трамваи! из-за сравнительно небольшой скорости движения и недостаточной провозной способности перестает удовлетворять нужды населения. Это наступает тем скорее, чем уже улицы города и чем больше площадь его застройки. При широких улицах потребность в транспортных средствах может быть удовлетворена путем увеличения интенсивности движения существующего городского транспорта и устройства тоннелей под перекрестками.
Площадь застройки города определяет дальность поездок, увеличение которой требует повышения скорости движения. Из существующих видов городского уличного транспорта наибольшей провозной способностью обладают трамваи, но в последние годы повсюду, и особенно в центральных частях городов. 378
их заменяют троллейбусами и автобусами — менее шумными и более комфорта' бельными видами транспорта.
Необходимость в постройке линий метрополитенов возникает, когда исчерпывается провозная способность существующего городского транспорта, когда скорость его движения приводит к затрате на передвижение от периферии к центру более 30 мин.
Однако необходимость в постройке линий метрополитенов ие всегда совпадает с экономической целесообразностью. Экономически оправданным считается (при существующей оплате проезда) сооружение линий метрополитенов, если перевозка на 1 км пути в одном направлении составляет не менее 6—6,5 млн. пассажиров в год. Это соответствует максимальной интенсивности пассажиропотока в одном направлении в часы «пик» приблизительно 20— 30 тыс. чел. в час. С такой интенсивностью пассажиропотока не может справиться ни один из видов городского транспорта, кроме метрополитена.
При проектировании линий мегрополитенов, особенно в социалистических странах, исходят в первую очередь из необходимости удовлетворить потребность населения в транспортных средствах независимо от того, что линии метрополитенов будут рентабельны только в перспективе.
Основанием для строительства метрополитена может явиться и экономия населением времени.
В Советском Союзе метрополитены эксплуатируются и строятся в семи городах — Москве, Ленинграде, Киеве, Баку, Тбилиси, Харькове и Ташкенте. Проектируют их для городов Минск, Горький, Куйбышев, Свердловск и Новосибирск.
Провозная способность линии метрополитена определяется максимальным числом пассажиров, которое может быть перевезено в одном направлении в час, и равняется произведению вместимости эксплуатируемого подвижного состава на пропускную способность линии.
Вместимость эксплуатируемого состава зависит от числа вагонов в составе поезда и числа пассажиров в одном вагоне. Число вагонов в поездах на линиях метрополитенов мира колеблется в широких пределах — от двух до десяти; вместимость вагонов — от 93 до 280 чел. Наибольшее распространение за рубежом имеют поезда, состоящие из шести и восьми вагонов.
В Москве и Ленинграде линии метрополитенов запроектированы для восьмивагонных (за исключением одной линии в Ленинграде), в остальных городах — для пятивагонных составов.
Пропускная способность линии метрополитена определяется допустимой частотой движения поездов.
Частота движения поездов зависит от применяющейся системы автоблокировки, ходовых качеств и тормозных средств подвижного состава, времени стоянки поездов на станциях, оборотных устройств на концах линий. Применяющаяся на метрополитенах Советского Союза система автоблокировки с автостопами может обеспечить максимальную частоту движения 40—42 пары поездов в час.
Испытываемая в настоящее время новая система автоблокировки АЛС (автоматическая локомотивная сигнализация), при которой в рельсовые цепи пропускается ток разной частоты и периодичности, соответствующей различным показаниям сигналов, может повысить частоту движения поездов предположительно до 50 и более пар в час.
Большее ускорение при отправлении поездов и повышение эффективности тормозов достигается за счет применения более совершенных конструкций вагонов (см. § 111),
Время стоянки поездов на станциях, зависящее от пассажирооборота станции, составляет от 20 до 40 с. Значительное сокращение времени стоянки возможно только при раздельной высадке и посадке пассажиров, т. е. при расположении платформ по обе стороны от пути.
Оборотные устройства часто являются узким местом, ограничивающим пропускную способность линии метрополитена. Увеличение их пропускной
способности может быть достигнуто за счет дополнительного развития путей за конечными станциями линии (см. § 115).
Полную пропускную способность линии используют не сразу после сдачи ее в эксплуатацию. В первый период эксплуатации линии пропускают меньшее число пар поездов в час и меньшее число вагонов в составе поезда (в зависимости от величины пассажиропотока).
Для метрополитенов Советского Союза предусматривается минимальная пропускная способность линии на первый период ее эксплуатации 24 пары трехвагонных поездов в час. При этом максимальная провозная способность линии будет составлять приблизительно 15 000 пассажиров в час в одном направлении.
Все устройства и оборудование линии проектируют в соответствии с установленной наибольшей частотой движения поездов в час, а устройства электроснабжения и количество подвижного состава — в соответствии с пропускной способностью линии на первый период эксплуатации.
Для города, в котором возникает необходимость в сооружении одной или двух первоочередных линий метрополитена, составляют схему сети линий, охватывающую все наиболее загруженные направления, с учетом перспективы развития города.
Направление линий метрополитена выбирают, как правило, вдоль городских транспортных магистралей с наиболее интенсивными пассажиропотоками. Исключение составляют линии глубокого заложения, направление которых определяется расположением вестибюлей и не зависит от городской застройки.
Особенностью развития городов в социалистических странах является создание жилых массивов на периферии поблизости от парков и лесов. Жилые массивы связываются средствами транспорта, в том числе метрополитенами, как с центром, так и с пригородами — местами отдыха трудящихся.
Перспективную сеть метрополитена Москвы проектируют из семи диаметров, кольцевой линии и трех так называемых хордовых линий, которые, пересекаясь между собой, образуют большое кольцо. На некоторых диаметрах намечают разветвления. Хордовые линии будут выходить за пределы города на расстояние до 30 км к крупным населенным пунктам, аэропортам и зонам отдыха (рис. 385). Протяженность линий метрополитена в пределах города составит в перспективе 450 км.
Исходными данными для определения главнейших пассажиропотоков и районов их тяготения обычно служат результаты изучения работы городского транспорта, степень загрузки различных маршрутов трамваев, троллейбусов и автобусов. Методы расчета пассажиропотоков приводятся в специальных курсах, поэтому здесь не рассматриваются.
Расчеты пассажиропотоков, застройка города и план его развития служат материалами для составления перспективной схемы линий метрополитена, связывающих районы города между собой. Детальное проектирование первоочередных линий метрополитена ведут с учетом этой перспективной схемы. Связь каждой линии метрополитена со всеми остальными линиями предусматривают при помощи пересадок на станциях.
Линии метрополитена, как правило, проектируют подземными мелкого заложения. Глубокое заложение линий применяют при неблагоприятных геологических и гидрогеологических условиях в зоне мелкого заложения, а также в районах города с плотной многоэтажной застройкой.
Движение поездов метрополитена организуют, как правило, самостоятельным для каждой линии без перехода на другие линии. Порожний подвижной состав перемещается с одной линии на другую по служебным веткам. Пересечения линий метрополитена между собой и с линиями других видов транспорта в одном уровне не допускается.
На некоторых зарубежных метрополитенах (Лондон, Нью-Йорк) отдельные линии соединяются между собой в одном уровне, что позволяет поездам переходить с одной линии на другую. При этом для пассажиров снижается 380
число пересадок, но ухудшаются условия эксплуатации метрополитенов и безопасность движения поездов.
На каждой линии предусматривают устройства для оборота, отстоя и осмотра подвижного состава, а также депо и мастерские. В отдельных обоснованных случаях допускают устройство двух депо на одной линии метрополитена.
Станции метрополитена располагают в местах образования больших потоков пассажиров — на центральных площадях, пересечениях городских магистралей, в районных центрах, у железнодорожных и речных вокзалов, стадионов, парков, а также на пересечениях линий метрополитена между собой и с линиями пригородных железных дорог.
Для линий метрополитенов Советского Союза расстояния между станциями в центре города назначают от 1 до 1,5 км, на окраинах — от 1,5 до 2 км.
Положение станций в плане определяется возможным расположением входных вестибюлей. Расположение вестибюлей выбирают в зависимости от городской планировки.
Рис. 385. Перспективная схема линий Московского метрополитена:
1 — существующие линии; 2 — развитее линий до 320 км; 3 — перспективное развитие сети; 4 — же леэные дороги; 5 — пересадочные станции
§ ПО. ПЛАН И ПРОФИЛЬ ЛИНИИ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
План линий метрополитенов определяется городской застройкой, от которой зависит и расположение станций, и направление перегонных тоннелей; при мелком заложении линии располгают обычно
Рис. 386. Расположение перегонных тоннелей в плане
вдоль основных транспортных магистралей города. При глубоком заложении, когда направление линии не зависит от городской застройки, план линии определяется только расположением станций. Тоннели между станциями прокладывают по кратчайшему направлению; для сопряжения прямых вводят кривые участки пути (рис. 386).
Величины радиусов кривых ограничены условиями эксплуатации линий метрополитенов. Наименьший радиус, который разрешается применять на главных путях метрополитенов в Советском Союзе, равен 500 м, что обеспечивает плавное движение поездов на закруглениях. (В трудных случаях радиус уменьшают до 300 м.) На служебных и парковых путях, по которым перемещаются порожние составы, допускается значительное уменьшение радиусов кривых.
На главных путях зарубежных метрополитенов встречаются следующие радиусы кривых: в Лондоне — 100 м, Мадриде — 90, Берлине — 65, Париже — 40, в Филадельфии — 32 м. При таких радиусах кривых пассажиры ощущают довольно резкие толчки на поворотах. Для плавного перехода от прямых участков пути к кривым устраивают переходные кривые (рис. 387, а и б).
Введение переходных кривых считается обязательным для радиусов 1400 м и менее. Длины переходных кривых вычисляют с учетом скоростей на кривых, полученных на основании тяговых расчетов1.
При сопряжении двух кривых на главных путях без переходных кривых длину прямой вставки принимают не менее 20 м.
Подземные станции метрополитенов Советского Союза обычно располагают иа прямых участках пути, и только в отдельных случаях допускается расположение мелко заложенных подземных и наземных станций на кривых радиусом не менее 800 м.
Станции зарубежных метрополитенов очень часто располагают на кривых участках пути при радиусах, значительно меньших 800 м.
‘ См. СНиП П-Д. 3-68, табл. 1.
Рис. 387. Сопряжение главных путей в плане: а — прямых а. кривых участков; б — двух кривых участков с прямой вставкой
fl)
f)
, _ >,L+20h
£—
Рис. 388. Расположение станций в профиле: а — «на горбе»; б — «в ямс»
Профиль линий метрополитенов назначается в зависимости от гидрогеологических и геологических условий на трассе линии, способа работ по сооружению тоннелей и эксплуатационных требований.
Линии метрополитенов располагают обычно на глубине, позволяющей вести работы закрытым способом при минимальной кровле пород над тоннелем и прочных породах в основании или открытым способом (со вскрытием поверхности) с минимальной толщиной засыпки над перекрытием, соответствующей глубине промерзания грунта.
При большой глубине заложения линии метрополитенов располагают, как правило, в коренных водонепроницаемых породах; толщина этих пород в кровле должна быть не менее 4—6 м; в этих условиях исключается необходимость применения сжатого воздуха при проходке тоннелей.
Эксплуатационные требования к проектированию профиля линии метрополитена заключаются в расположении станций «на горбе» и выборе соответствующих продольных уклонов. Расположение станций «на горбе» (рис. 388а) выгодно потому, что при подходе к станции поезда легче уменьшать его скорость, а при уходе со станции (при спуске) можно быстрее ее увеличить. В случаях мелкого заложения линий метрополитенов и минимальной засыпки над перекрытиями тоннелей это требование не всегда удается выполнить.
Уклоны продольного профиля линий метрополитена ограничены конструктивными особенностями подвижного состава и водоотводом. Наибольший уклон для главных путей метрополитенов Советского Союза 0,040, наименьший — 0,003.
Подземные станции располагают в профиле, как правило, на уклоне 0,003 и, как исключение, на уклоне 0,005 или на горизонтальной площадке.
В пределах станций не допускаются сопряжения элементов продольного профиля, поэтому прямые участки профиля принимают для станций, расположенных на «горбе» не менее длины посадочной платформы L, а для станций, расположенных, как исключение, «в яме», — не менее L + 20 м (рис. 388, б).
Длину элемента продольного профиля на участке линии между станциями принимают не менее расчетной длины поезда. Сопряжение смежных элементов продольного профиля осуществляют при помощи вертикальных кривых.
Глава 26
ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ И ПУТЕВЫЕ УСТРОЙСТВА МЕТРОПОЛИТЕНОВ
§111. ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
Электрические поезда метрополитенов состоят из моторных и прицепных вагонов, число которых зависит от необходимой провозной способности линии и определяется расчетом. Вагоны объединяются в секции, состоящие из двух моторных или из одного моторного и одного прицепного вагонов, и управляются из головной кабины благодаря наличию межвагонных электрических соединений.
Размеры вагонов и их конструкция различны для различных метрополитенов и в одних случаях удовлетворяют железнодорожному габариту, а в других имеют свой собственный габарит, меньший, чем на железных дорогах.
На метрополитенах СССР применяют вагоны типов А, Б, Г, Д и Е, имеющие одинаковую длину и ширину (рис. 389) и одинаковую максимальную вместимость, составляющую 270 чел. при количестве мест для сидения, равном 44.
Вагоны разных типов отличаются друг от
друга весом, расстоянием между дверями и шириной дверных проемов. Вес наиболее усовершенствованных вагонов типов Д и Е составляет соответственно 36,2 и 30,6 т; ширина дверных проемов—1,12 и 1,36 м; расстояния между осями дверей одного вагона — 4,61 и 4,74 м. Расстояния между осями дверей смежных вагонов зависят от того, каким образом они между собой сцеплены (головными или хвостовыми концами), поэтому они могут иметь 2 значения, а именно 5,54/5,13 (Д) и 5,88/4,01 м (Е).
При изготовлении в настоящее время нового вагона типа И предусмотрено дальнейшее его усовершенствование. Для несущих конструкций применен алюминиевый сплав, для внутренней отделки — полимерные материалы; все это уменьшает вес вагона до 25—26 т.
Улучшена также система вентиляции вагона и увеличена скорость егс движения до 100—120 км/ч. Максимальная скорость движения вагона типа Е достигает 90 км/ч.
§ 112. ГАБАРИТЫ ПРИБЛИЖЕНИЯ СТРОЕНИЙ ДЛЯ ТОННЕЛЕЙ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
Внутреннее очертание перегонных и станционных тоннелей метрополитенов проектируют в соответствии с габаритом приближения строений.
В Советском Союзе установлены габариты приближения строений для тоннелей однопутных перегонных кругового очертания, однопутных и двухпутных перегонных тоннелей прямоугольного сечения, а также для станций с учетом возможности размещения в пространстве между габаритами приближения строений и оборудования устройств санитарной техники, СЦБ и связи, осветительной арматуры и кабелей, устройств автоматического вождения и торможения поездов. Кроме того, предусмотрен проход обслуживающего персонала в перегонных тоннелях во время движения поездов.
Для перегонных тоннелей кругового очертания габарит приближения строений принят в виде круга (рис. 390), срезанного по концам вертикального и 384
-эризонтального диаметров хордами. В нижней правой по ходу движения пэезда части габарита имеется выступ внутрь круга для размещения служеб--ой дорожки. Этот габарит приближения строений действителен также для кривых участков пути радиусам R = 200 м и более при наибольшем возвышении наружного рельса.
Для перегонных тоннелей прямоугольного сечения (однопутных и двухпутных) очертание габарита приближения строений имеет вид ломаной линии. Координаты точек переломов линии габарита приведены в таблице (рис. 391).
Ширина междупутья в двухпутных тоннелях установлена равной 3400 мм.
В габарит приближения строений для тоннелей прямоугольного сечения зходнт служебная дорожка, располагаемая с правой по ходу движения поездов стороны. Поэтому стена должна быть отодвинута от оси пути на расстояние 2200 мм. Если стена заменена колоннами, то расстояние от оси пути до вертикальной линии габарита, ограничивающей расположение колонн, принимают равным 1900 мм. Кроме этих линий, на чертеже габарита показана также вертикальная линия, удаленная на расстояние 2450 мм от оси пути, для нерил на мостах и подпорных стен на наземных участках линий. На кривых Р < 500 м ширину междупутья и ширину колеи увеличивают по сравнению : рис. 391.
Габарит приближения строений для подземных станций метрополитенов сходен с габаритом приближения строений для перегонных тоннелей прямоугольного сечения; он также представляет собой ломанную линию, причем координаты некоторых точек этих линий совпадают. Так как поезда в пределах станций движутся с очень малыми скоростями, расстояние до путевой :~ены уменьшено на 100 мм (рис. 392).
Противоположная сторона габарита приближения строений для станций . читывает наличие пассажирских платформ, которые входят в габарит, а также пространство под консолью платформы, определяемое габаритом контактного рельса. Координаты основных точек перелома станционного габарита "гшближения строений приведены в таблице на рис. 392. Габаритом учитывает-также возможное приближение стен служебных помещений, расположенных на платформе. При расположении станций метрополитенов на мостах или поверхности земли (надземные и наземные линии) вертикальные линии габа-гита учитывают степень приближения к оси пути перил мостов или эстакад подпорных стен выемок.
Рис. 391. Габарит приближения строений для перегонных тоннелей с вертикальными стенами
Точки а б в г д е ж 3 К
X 1358 1900 1900 1411 883 ггоо 2200 1660 1660
У -55В -1S0 3176 3748 3950 2825 -50 -50 -347
13 Зак. 1207
38 5
Габарит приближения строений для перегонов и станций показывает расстояния от оси пути и от уровня головки рельсов до облицованных поверхностей. Поэтому при проектировании конструкций перегонных тоннелей и станций учитывают возможные отклонения и неточности при их строительстве, возможные деформации обделок после их возведения, а также наличие обли-
Точки а б в г д е Ж 3 К
X 1350 1750 1800 1311 883 1800 /725 1530 1350
у -550 -1S0 згзз 3738 3350 750 0 -50 -550
Рис. 392. Габарит приближения строений для станции
цовки поверхностей на станциях.
Внутренний диаметр перегонных тоннелей кругового очертания принимают равным 5,1 м; расстояние до низа перекрытий перегонных тоннелей и станций прямоугольных сечений принимают не
менее 4 м от уровня головки рельсов (с учетом запаса на неточность сооружения, деформацию перекрытия и толщину штукатурки, не превышающего 5 см). На облицовку путевых и других стен станций к расстоянию, заданному габаритом приближения строений, прибавляют от 5 до 10 см в зависимости от характера облицовки стен.
§ ИЗ. ВЕРХНЕЕ СТРОЕНИЕ ПУТИ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
На линиях метрополитенов для укладки верхнего строения пути, как правило, применяют бетонное основание и только на некоторых участках—балластное. Достоинством пути на бетонном основании является возможность содержать его, а следовательно, и весь тоннель в чистоте; недостатком такого пути является его жесткость, ухудшающая условия работы подвижного состава; кроме того, устройство пути на бетонном основании обходится дороже, чем на балластном.
Путь на балластном основании быстро загрязняется смазочным маслом и металлической пылью от истирания рельсов, колесных бандажей и тормозных колодок. Очистка же балластного основания затруднительна. Поэтому такой путь применяют только на участках линий метрополитенов, проходящих по поверхности, на мостах и эстакадах, а также в местах расположения перекрестных съездов и стрелочных переводов, т. е. там, где удобно проводить ремонтные работы.
На главных путях линий метрополитенов в качестве ходовых рельсов применяют рельсы типа Р50, а на парковых и служебных путях — типа Р43.
Однако, учитывая увеличение частоты движения поездов, рельсы типа Р50 заменяют на Р65, с тем, чтобы увеличить срок службы пути и сократить расходы на ремонтные работы.
Рельсы укладывают обычно на сосновые (в тоннелях и на мостах), реже на железобетонные (на наземных участках) шпалы. Шпалы для перегонных тоннелей метрополитенов имеют обычную длину 2700 мм, на станциях применяют шпалы-коротыши длиной 900 мм, укладываемые отдельно под каждый рельс.
Укладку шпал ведут по установленным для одного звена рельсов эпюрам расположения шпал. Общее количество шпал на 1 км пути составляет для прямых участков 1680 шт., для кривых —1840 шт. В случае расположения между 386
шпалами каких-либо устройств расстояние между их осями увеличивают до 67,5 см. Прикрепление рельсов к шпалам осуществляют на главных путях при помощи раздельного скрепления; на парковых путях применяют более дешевое нераздельное скрепление.
Главные пути метрополитенов оборудуют противоугонами, а на кривых /? ^7 300 м — контррельсами. Расположение и кон
Рпс. 393. Верхнее строение пути на станциях:
/ — путевой бетон; 2 — шпалы-коротыши; 3 — водоотводная канава; 4 — подстилающий бетонный слой
струкция противоугонов и контррельсов аналогичны применяемым на путях железных дорог.
Путевой бетон марки 150 в тоннелях метрополитена укладывают на горизонтальную поверхность подстилающего бетонного слоя марки 100 (рис. 393). По оси пути устраивают водоотводную канаву, уклон которой соответствует уклону пути, а на горизонтальных участках уклон принимают минимальным, равным 0,003, при переменной глубине канавы.
Балласт укладывают на слой бетона таким образом, чтобы его поверхность была на 3 см ниже верха шпал. На линиях метрополитена, проходящих по поверхности земли, балластный слой укладывают на земляное полотно. Толщину балластного слоя, считая от низа шпалы до верха бетонного подстилающего слоя, обычно принимают 30 см под рельсами на прямых участках и под наружными нитями кривых участков пути. Под внутренними нитями кривых, а также на мостах и эстакадах допускается уменьшение толщины балластного слоя до 24 см.
Для борьбы с шумом от движения поездов (особенно на станциях и вблизи зданий) предполагается укладывать под шпалами прокладки из полихлорви-ннлового пластиката 6 = 54-7 мм, а боковые грани шпал покрывать слоем полиэтилена 6 = 2 4- 3 мм, наносимого механическим способом в горячем состоянии.
Глава 27
ПЕРЕГОННЫЕ СООРУЖЕНИЯ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
§114. ПЕРЕГОННЫЕ ТОННЕЛИ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
Классификация. Перегонные тоннели предназначены для движения поездов и по своему протяжению составляют основную часть подземной линии метрополитена. Они различаются по числу путей, конструктивной форме и материалу обделок.
По числу путей перегонные тоннели подразделяются на однопутные, двухпутные и многопутные. Однопутные тоннели предназначены для пропуска поездов в одном направлении; двухпутные тоннели содержат пути обоих направлений, а многопутные имеют от трех до шести путей.
Число путей в перегонных тоннелях зависит от интенсивности пассажиропотоков на проектируемой линии, глубины заложения линии, типа платформ на станциях и способа сооружения тоннелей.
При закрытом способе работ независимо от глубины заложения линии
предпочтение отдается имеющим наименьшие размеры однопутным перегон-
ным тоннелям.
Наибольшее распространение на метрополитенах мира имеют двухпутные перегонные тоннели, сооружаемые открытым способом. Однако двухпутные тоннели могут сооружаться и закрытым способом на различной глубине.
Многопутные перегонные тоннели встречаются на линиях зарубежных метрополитенов в городах с очень развитой сетью линий и интенсивными пасса-
жиропотоками.
Наибольшее протяжение многопутных перегонных тоннелей, содержащих от трех до шести путей, имеет Нью-Йоркский метрополитен; его четырехпут-
Рис. 394. Однопролетные обделки однопутных перегонных тоннелей Московского метрополитена
ные линии используются для местного’и экспрессного движения "поездов.
На линиях советских метрополитенов четырехпутных тоннелей пока нет, по они предусматриваются перспективной схемой линий метрополитена Москвы.
Перегонные тоннели, содержащие от трех до шести путей, как правило, располагают неглубоко от поверхности; их сооружают открытым способом. Мелкое заложение (и благоприятные геологические условия являются [основными факторами для проектирования многопутны.х линий метрополитенов. При отсутствии этих условий и необходимости в многопутной линии целесообразно расчленить ее иа несколько однопутных или двухпутных линий.
По конструктивной форме_[перегонные тоннели
метрополитенов подразделяются на однопролетные, двухпролетные, многопролетные, односводчатые и двухсводчатые. Первые три вида составляют группу тоннелей с плоскими перекрытиями, два последние — группу тоннелей со сводчатыми обделками.
В прошлом материалами для обделок перегонных тоннелей служили кирпич и камень; в настоящее время применяют монолитный бетон и железобетон, железобетонные прямолинейные элементы или блоки и чугунные тюбинги; могут применяться обделки, комбинированные из этих материалов.
Так же как и для железнодорожных и автодорожных тоннелей, при соответствующих геологических условиях заложения при малых напорах для обделок перегонных тоннелей метрополитенов могут быть применены такие новейшие материалы, как на-брызг-бетон и монолитный прессованный бетон, создающие бесшовные практически водонепроницаемые обделки.
Конструкции обделок с плоскими перекрытиями. Конструктивные решения таких обделок, осуществленные на метрополитенах мира, чрезвычайно разнообразны. Они определяются условиями применения дешевых местных материалов, различными приемами ведения работ в зависимости от имеющихся средств механизации, а также традициями тоннельной практики в той или иной стране.
Внутренние размеры перегонных тоннелей назначают в соответствии с габаритами приближения строений. Толщину обделок задают предварительно, исходя из опыта проектирования аналогичных по размерам и условиям заложения перегонных тоннелей, а затем эту толщину проверяют статическим расчетом.
Примерами конструктивного решения однопролетных обделок для однопутных перегонных тоннелей служат обделки, осуществленные на Московском метрополитене (рис. 394). Одну из них (рис. 394, а} сооружали по частям: в первую очередь — стены из монолитного бетона, во вторую — перекрытие в виде сплошной железобетонной плиты и в последнюю очередь — лоток из монолитного бетона; другую (рис. 394, б) — в виде однопролетной жесткой рамы из монолит
Рис. 395. Однопролетная обделка двухпутного тоннеля Берлинского метрополитена
в) са
Рис. 396. Двухпролетные обделки двухпутных перегонных тоннелей Московского метрополитена
ного железобетона — выполняли как единое целое. Наиболее современные конструкции обделок однопутных перегонных тоннелей собирают из железобетонных элементов, образующих перекрытие, стены и лоток (рис. 394, в), или из замкнутых секций (рис. 394, г) с предварительным напряжением путем натяжения на их внешней поверхности высокопрочной проволоки (цельносекционные обделки). Покрытие секций с внешней стороны гидроизолирующим составом в заводских условиях позволяет отказаться от трудоемких работ по гидроизоляции обделки в процессе ее монтажа. Швы между отдельными секциями обделки заполняют замазкой на основе расширяющегося водонепроницаемого цемента. Примером однопролетной обделки двухпутного тоннеля может служить обделка перегонного тоннеля Берлинского метрополитена (рис. 395). Стены и плоский лоток этой обделки выполнены из монолитного бетона, перекрытие — из монолитного железобетона и металлических балок.
Для двухпутных перегонных тоннелей наибольшее распространение имеют обделки двухпролетной конструктивной формы (рис. 396), которые можно выполнять из монолитного железобетона в виде жесткой двухпролетной рамы (рис. 396, а) или из железобетонных элементов (рис. 396, б). Последнюю применяют в Советском Союзе. Она состоит из восьми элементов пяти типов: двух блоков перекрытия (ребристого сечения), двух боковых стеновых, трех лотковых и одного блока средней стенки (сплошного сечения). Ширина блоков перекрытия и боковых стеновых 1,5—2,0 м, блоков лотка и средней стенки—3—4 м.
В средней стенке обделки по условиям эксплуатации тоннелей оставлены проемы шириной 1,2 м и высотой 2 м, расположенные через каждые 3 м (между осями). Эти проемы выполняют роль ниш, предназначенных для укрытия находящихся в тоннеле людей во время прохода поезда.
Наиболее рациональными являются цельносекционные обделки двухпутных перегонных тоннелей, состоящие из двух (рис. 396, в) или одной сдвоенной секции, изготовляемых в заводских условиях и устанавливаемых при помощи козлового крана.
Конструктивное решение обделок для многопутных перегонных тоннелей применительно к геологическим условиям заложения линий Нью-Йоркского метрополитена показано на рис. 397.
В настоящее время в Париже решают вопрос о реализации проекта двухъярусных восьмиполосных тоннелей.
В Советском Союзе многопутные перегонные тоннели на линиях метрополитенов могут быть выполнены из железобетонных элементов, аналогичных приведенным на рис. 396, б, образующих четырехпролетную раму, либо из четырех устанавливаемых впритык друг к другу секций по типу, показанному на рис. 396, в.
Рис. 397. Четырехпролетная обделка четырехпутного перегонного тоннеля Нью-Йоркского метрополитена
530
Рис. 398. Односводчатая обделка однопутного перегонного тоннеля метрополитена
Конструкции сводчатых обделок. К сводчатым обделкам перегонных тоннелей прежде всего относятся обделки двухпутных тоннелей из монолитного железобетона в виде однопролетной рамы с криволинейным верхним ригелем и все обделки кругового очертания для однопутных перегонных тоннелей, сооружаемых при помощи щитов или эректоров.
Обделки первого вида применяют для тоннелей, сооружаемых в открытых котлованах при глубине заложения линии метрополитена более 10 м, когда плоское железобетонное перекрытие получается слишком тяжелым и поэтому неэкономичным.
Основную группу обделок сводчатого типа со
ставляют обделки кругового очертания для однопутных перегонных тоннелей глубокого заложения. Внутренний диаметр этих тоннелей зависит от размеров вагонов, обращающихся на данной линии метрополитена.
Так, например, внутренний диаметр перегонных тоннелей Лондонского метрополитена равен 3,56 и 3,84 м, Нью-Йоркского — приблизительно 4,50 м, а метрополитенов Советского Союза — 5,1 и 5,6 м.
Такие тоннели различаются главным образом применяемыми для сооружения обделки материалами. Обделку можно выполнять из чугунных тюбингов, железобетонных блоков сплошного или ребристого сечения или из прессованного монолитного бетона. Примеры конструктивного решения таких обделок, многие из которых нашли применение на метрополитенах Советского Союза, приведены в третьем разделе настоящего учебника.
Сводчатые обделки из монолитного бетона можно применять также для однопутных и двухпутных перегонных тоннелей, сооружаемых горным спосо.
Рис. 399. Односводчатая обделка двухпут- Рис. 400. Двухсводчатая обделка двухпутного перегонного тоннеля Парижского ме- ного перегонного тоннеля Чикагского метро-трополитена политепа
бом. Пример односводчатой обделки однопутного перегонного тоннеля, выполненной из монолитного бетона, показан на рис. 398. Для односводчатой обделки двухпутных тоннелей Парижского метрополитена применяли камень и монолитный бетон (рис. 399). Примером двухсводчатой обделки двухпутного перегонного тоннеля может служить бетонная обделка Чикагского метрополитена (рис. 400).
При сооружении линий метрополитена в скальных породах можно применять обделки из набрызг-бетона, наносимого на поверхность выработки. Толщину таких обделок принимают от 5 до 15 см.
При заложении линий метрополитена в очень крепких сухих и невыветри-вающихся породах выработки перегонных тоннелей можно оставлять без обделок (Стокгольм).
В породах крепких, но выветривающихся или трещиноватых поверхность выработок, оставленных без обделки, защищают слоем торкрета из цементнопесчаного раствора. В таких породах можно возводить также обделки в виде сводов, опертых на породу, оставляя стены обнаженными или облицовывая их слоем торкрета.
§ 115. СЪЕЗДЫ, ТУПИКИ, РАСТРУБЫ И ВЫХОДЫ ПЕРЕГОННЫХ ТОННЕЛЕЙ НА ПОВЕРХНОСТЬ
Съезды. На каждой линии метрополитена устраивают съезды (рис. 401) для оборота поездов и их перехода на другие линии.
Существуют три схемы съездов: съезд между главными путями (см. рис. 401, а), съезд на однопутное ответвление (см. рис. 401, 6) и съезд в двухпутный тупик или перекрестный съезд (см. рис. 401, в).
Съезды между главными путями используют для оборота поездов, курсирующих в пределах участка линии с наибольшей интенсивностью пассажиропотоков в часы «пик» (зонное движение).
Съезды на однопутное ответвление служат для соединения отдельных линий метрополитена между собой при помощи служебной ветки или соединения
линии с депо.
Перекрестные съезды с тупиками устраивают в конце каждой линии, а на линиях значительной длины — дополнительно через каждые 8—10 км.
Съезды состоят из путей, включающих прямые и кривые участки, и из стрелок, переводящих путь с одного направления на другое. Все кривые для съездов принимают с минимальным радиусом R = 175 м и не имеют переход
ных кривых и возвышении наружного рельса.
На мелко заложенных линиях съезды размещают в тоннеле прямоугольного сечения, содержащем 3 пути (левый, правый и соединяющий их) или 4 пути (при перекрестных съездах). Этот тоннель примыкает непосредственно к станции и имеет поперечное сечение по внешнему контуру шириной ~18 м и высотой 5,3 м.
Обделку тоннеля выполняют из монолитного железобетона в виде жесткой замкнутой рамы с внутренними опорами или комбинируют из монолитного железобетона и стандартных железобе-тонных элементов заводского изготов
Рис. 401. Схема съездов на линиях метрополитенов
ления, применяющихся для обделок перегонных тоннелей (рис. 402).
Для осуществления съездов на глубоко заложенных линиях создают камеры (рис. 403), ширина которых меняется в зависимости от постепенно уширяющегося междупутья. Выбор материала для обделки (монолитный бетон, элементы из чугуна или железобетона) определяется геологическими и гидрогеологическими усло-
виями заложения камер съезда.
Интересное конструктивное решение камер съездов с обделкой из чугунных тюбингов применено на линиях Московского метрополитена. Наименьшая по размерам поперечного сечения камера 1 представляет собой тон-
нель овального очертания Рис. 402. Обделка камеры съездов мелкого заложения (рис. 404), обделка которо-
го собрана из стандартных чугунных тюбингов К, С и Н перегонного тоннеля наружным диаметром Он = 6 м.
Увеличение поперечного сечения достигнуто здесь за счет увеличения периметра обделки (заменой одного нормального тюбинга Н группой тюбингов из двух смежных С и одного ключевого К) и постановки клиньев почти во все радиальные швы этой обделки.
Камеры 2, 3 и 4 (см. рис. 403) представляют собой тоннели кругового очертания диаметрами £>,, = 7,5, Du = 8,5 и £>,, = 9,5 м, обделки которых состоят из стандартных тюбингов эскалаторного и станционных тоннелей. Во всех этих камерах уровень головки рельсов расположен на 1,70 м ниже горизонтального диаметра. В камере 2 возможно расположение двух путей метрополитена с междупутьем до 1,83 м, в камере 3 — двух путей с междупутьем от 1,83 до 2,67 м и в камере 4 — двух путей с междупутьем от 2,67 до 3,56 м.
Дальнейшее увеличение междупутья требует применения камеры 5, чугунную обделку которой собирают также из стандартных тюбингов СК, СС и СН станционного тоннеля Он = 9,50 м с прокладками в некоторых швах (рис. 405, а). Для обделки камеры 5 применяют и другое конструктивное решение, при котором из чугунных тюбингов собирают только свод, опирающийся на опоры из монолитного или сборного бетона и замыкающийся железобетонным обратным сводом (см. рис. 405, б). Эта комбинированная обделка более экономична, но и более трудоемка, а так как камера 5 всегда имеет небольшую длину (3 м), то перерасход чугуна и увеличение объема выработки при применении цельночугунной обделки не могут быть значительными.
При дальнейшем увеличении междупутья экономически целесообразен переход от однопролетной камеры к камере, составленной из двух разомкнутых с внутренней стороны обделок перегонных тоннелей, опирающихся на бетонные или железобетонные стенки (рис. 406). Для укрытия людей во время прохода поезда в стенках устраивают проемы. Торцовые стены между камерами выполняют из монолитного бетона с металлической гидроизоляцией, заанкеренной в бетон.
Показанный на примере обделок из чугунных тюбингов принцип создания камер различного пролета применим и для обделок из железобетонных блоков
Рис. 403. Схема расположения камер съездов глубокого заложения
692
Рис. 404. Поперечное сечение камеры / с обделкой из чугунных тюбингов
Рис. 405. Поперечные сечения камеры 5: а —с чугунной обделкой; б —с комбинированной обделкой
сплошного или ребристого сечения с дополнительными связями (Ленинградский метрополитен). Этот принцип заключается в использовании стандартных элементов типовых обделок перегонных и станционных тоннелей с клиновидными прокладками, увеличивающими их размеры. Не исключается возможность создания специальных железобетонных блоков для обделки камер съездов, если это будет оправдываться технико-экономическими соображениями.
Применение для камер съездов обделки из монолитного бетона целесообразно только для пород такой крепости, которые позволяют применять контурную временную крепь и укладку бетонной смеси при помощи бетононасосов.
Для оборота поездов на линиях метрополитенов, помимо съездов, применяют петлевые оборотные устройства с минимальными радиусами кривых (рис. 407). Они удобны в эксплуатации, так как не имеют стрелочных переводов и не требуют перехода поездных бригад с одного конца поезда на другой; их недостаток — невозможность осмотра и отцепки вагонов из состава. При необходимости удлинения линии с петлевыми оборотными устройствами по концам требуется сооружение (без перерыва движения) группы камер по типу, показанному на рис. 403. Сочетание петлевых оборотных устройств с расположенными внутри петли съездами в двухпутный тупик устраняет перечисленные недостатки и может значительно повысить пропускную способность линии.
Рис. 406. Поперечное сечение камеры 6 с обделкой из чугунных тюбингов
Тупики. Для отстоя, осмотра и мелкого ремонта поездов метрополитена на концевых участках каждой линии за съездами предусматривают устройство тупиков. Длина тупиковых тоннелей зависит от состава поездов, курсирующих на линии; для восьмивагонных составов ее принимают равной~200 м.
Тупиковые пути на линиях мелкого заложения располагают в обычных двухпутных перегонных тоннелях. Если же параллельно им расположены тупиковые участки главных путей, то этот четырехпутный участок располагают в трехпролетном тоннеле прямоугольного сечения (в крайних пролетах — главные пути, в среднем — два тупиковых).
Такие тоннели выполняют из монолитного железобетона, сборного железобетона или из железобетонных элементов перегонных тоннелей в сочетании с монолитным железобетоном (в среднем пролете).
Тупики на линиях глубокого заложения’располагают в двух однопутных или одном двухпутном тоннеле кругового очертания DH = 6,0 м или Dn = — 9,5 м. Их обделки могут быть собраны из чугунных тюбингов или железобетонных блоков в зависимости от условий заложения. В благоприятных геологических и гидрогеологических условиях для обделки тупиков можно применять монолитный бетон или набрызг-бетон.
В бетоне основания тупиковых тоннелей устраивают смотровые канавы для осмотра и ремонта вагонов; длина этих канав на 2 м превышает длину поезда. Персонал проходит вдоль канавы по служебной платформе (рис. 408), располагаемой в двухпутных тоннелях посередине, а в однопутном — сбоку. На продолжении тупиковых тоннелей устраивают линейный пункт и вентиляционную камеру.
На конечных участках линии параллельно тупиковому тоннелю часто располагают тупиковые участки главных путей, используемые для отстоя поездов.
Рис. 407. Петлевые оборотные устройства
Рис. 408. Поперечное сечение тоннеля тупиков с обделкой из чугунных тюбингов
Продольный разрез
о о о о о о о ОШОПОШШ
План
Рис. 409. Конструкция раструба
Раструбы. Раструбом называется участок линии метрополитена, на котором происходит разветвление двухпутного перегонного тоннеля на два однопутных, связанное с постепенным уширением междупутья.
Раструбы устраивают в местах примыкания двухпутного перегонного тоннеля к станции с островной платформой и при создании на мелко заложенных линиях тупиков.
Простейшее конструктивное решение раструба (рис. 409) представляет собой участок двухпутного тоннеля, в пределах которого нормальное междупутье (4, 10 м) постепенно расширяется до размера, требующегося для примыкания к нему двух однопутных тоннелей. Дальнейшее уширение междупутья до станционного происходит за счет увеличения ширины промежутка между однопутными тоннелями. В пределах раструба один из путей располагается на прямой, а другой отклоняется с введением кривой или оба пути симметрично отклоняются от продольной оси линии.
Раструб состоит из трех участков различной конструкции; со средней стенкой при уширении одного из пролетов для габарита на кривой, с одним или двумя рядами колонн.
На одной из линий Московского метрополитена для обделки раструба использованы стандартные железобетонные элементы, составляющие обделку однопутных и двухпутных перегонных тоннелей (см. рис. 409). Это обстоятельство привело к необходимости введения переменных ширины и поперечного шага колонн на втором и третьем участках раструба и включения монолитного железобетона для конструкций средней части раструба.
Для создания тупиков за съездами на конечных участках мелко заложенных линий однопутные тоннели, примыкающие к съездам, постепенно сближаются и посредством раструба превращаются в двухпутный тупиковый тоннель. Конструктивное решение раструба аналогично рассмотренному выше.
Выходы перегонных тоннелей на поверхность. Выходы тоннелей метрополитена на поверхность устраивают для связи их с депо, железными дорогами или наземными участками. Их осуществляют при минимальной глубине засыпки над перекрытием. Тоннели (два однопутных или один двухпутный) переходят в выемку (рампу) с откосами или подпорными стенами (рис. 410). Портальная стена, разделяющая тоннель и выемку, поддерживает грунт лобовой поверхности выемки. На нее сверху опирается ограждение из железобетонных элементов, которое затем идет по обеим сторонам выемки.
Конструкция подпорных стен состоит из стеновых и фундаментных блоков, применяемых для рамп транспортных пересечений. Фундаментные блоки устанавливают на песчаную подушку, утрамбованную механическими уплотнителями, поверх которой укладывают бетонную стяжку. Поверхности стен, обращенные к грунту, покрывают гидроизоляцией.
Глава 28
ПОДЗЕМНЫЕ СТАНЦИИ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
§ 116. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Станции на линиях метрополитенов предназначаются для обслуживания пассажиров и осуществления функций, связанных с движением поездов.
Обслуживание пассажиров заключается в обеспечении входа на станции, посадки, высадки, пересадки на станции других линий в местах их пересечений и выхода со станций.
Функции станций, обеспечивающие движение поездов, заключаются в приеме и отправлении поездов по графику, а также в их осмотре в случае необходимости.
На станции обычно имеются два пути одной линии метрополитена и одна или две пассажирские платформы, обслуживающие эти пути. Различают два вида платформ — островные и боковые. Островными называют платформы, по обе стороны которых расположены пути метрополитена. Боковыми являются платформы, к которым путь примыкает только с одной стороны.
На станциях метрополитена Советского Союза в соответствии со СНиП П-Д.3-68, как правило, применяют островные платформы и лишь в виде исключения допускают применение боковых платформ.
При значительной интенсивности пассажиропотоков в часы «пик» устраивают станции с тремя путями и двумя островными платформами. В местах пересечения линий иногда применяют станции, имеющие четыре пути и две островные или две боковые и одну островную платформу. На таких станциях осуществляются пересадки пассажиров с одного направления на другое. В большинстве случаев в местах пересечения линий устраивают пересадочные тоннели, связывающие отдельные станции между собой.
Для входа и выхода пассажиров служат лестницы, эскалаторы или лифты.
На станциях метрополитена предусматривают устройства для вентиляции, освещения и дренажа, а также помещения для обслуживающего персонала. По концам платформ устраивают металлические лестницы для входа в перегонные тоннели.
Конструктивные решения станций очень разнообразны. Это разнообразие определяется в первую очередь конструкциями и материалами обделок станций. Наиболее часто встречаются:двух- и трехпролетные, одно-, двух- и трехсводчатые станции; реже — однопролетные, многопролетные и многосводчатые станции. В качестве материала для станционных обделок используют камень, монолитный бетон и железобетонные прямолинейные и криволинейные блоки, а также чугунные тюбинги.
Станции с плоскими перекрытиями (двух- и трехпролетные) имеют комбинированные обделки из монолитного железобетона с применением железобетонных прямолинейных блоков заводского изготовления. Для обделок одно-, двух- и трехсводчатых станций используются все перечисленные выше материалы.
Способ сооружения станций также до некоторой степени определяет их конструктивную форму. Так, станции с плоскими перекрытиями не сооружают закрытым способом; открытым же способом могут быть возведены станции любой конструктивной формы — как с плоскими перекрытиями, так и сводчатые. Опускными секциями сооружают, как правило, станции со сводчатыми обделками, но и здесь могут быть исключения.
На линиях советских метрополитенов преобладают мелко заложенные трехпролетные станции с обделками из монолитного или сборного железобетона и глубоко заложенные трехсводчатые станции двух основных конструктивных 398
типов (пилонные1 и колонные) с обделками из чугунных тюбингов и железобетонных блоков.
Планировочные решения станций метрополитенов определяются следующими основными факторами: числом и расположением путей и платформ, конструктивным решением станции, примыканием к станции эскалаторных тоннелей и лестниц, а также расположением служебных помещений в пределах станции.
§ 117. КЛАССИФИКАЦИЯ СТАНЦИИ
Число путей и платформ на станциях метрополитенов
Одноплатформенные станции. К этому типу станций могут относиться только станции с одной островной платформой, обслуживающей два пути (рис. 411, а). Одноплатфбрменными являются почти все станции метрополитенов СССР и Берлинского метрополитена, многие станции Парижского метрополитена, а также часть станций Лондонского, Нью-Йоркского и других метрополитенов мира.
Станции с островной платформой просто и удобно сообщаются с поверхностью и могут быть хорошо архитектурно оформлены.
Двухплатформенные станции могут быть с двумя боковыми, двумя островными, с одной островной п одной боковой платформами.
Станции с двумя боковыми платформами, обслуживающими два пути одной линии метрополитена, являются распространенным типом станций зарубежных метрополитенов (рис. 411, б). Две боковые платформы имеют большинство станций Парижского, Лондонского и Нью-Йоркского метрополитенов, а также многие станции метрополитенов других городов.
К достоинствам бокового расположения платформ относятся: общее полотно для путей обоих направлений в пределах станции, что упрощает эксплуатацию; возможность создания большого числа входов с тротуаров улиц на боковые платформы при мелком заложении станции.
Недостатком станций мелкого заложения с боковыми платформами является необходимость дополнительных устройств для перехода с одной платформы на другую и некоторые неудобства для пассажиров при таком переходе.
Станции с двумя островными платформами могут обслуживать три или четыре пути. Дополнительный путь и вторая островная платформа (рис. 411, в) предусматриваются для ускорения посадки и высадки
1 Пилонами принято называть несущие щими станционные тоннели.
конструкции между проходами, соединяю-
Рнс. 411. Схемы станций:
л — с одной островной платформой: б — с двумя боковыми платформами; в — с двумя островными платформами (3 пути); г —с двумя островными платформами (4 пути); д — с одной островной н двумя боковыми платформами (4 пути)
пассажиров на станциях со значительными пассажиропотоками в часы «пик». В этом могут также нуждаться станции, расположенные у стадионов, парков, вокзалов и в других местах с интенсивным пассажирооборотом. Такое же расположение и число платформ и путей могут иметь станции, на которых происходит разветвление одной линии метрополитена на две.
Станции с двумя островными платформами, обслуживающие четыре пути (рис. 411, г), располагают обычно на пересечениях линий метрополитена между собой или с железнодорожными вводами.
На линиях Нью-Йоркского метрополитена такие станции используют для линий местного и экспрессного сообщения.
Относительно небольшое число станций на линиях зарубежных метрополитенов имеют двухъярусное расположение двух островных платформ. Платформы нижнего и верхнего ярусов связаны между собой лестницами для пересадки с одного направления на другое.
Станции с одной островной и одной боковой платформами не относятся к распространенным типам станций на линиях зарубежных метрополитенов; их нет и на линиях метрополитенов Советского Союза. Одну островную и одну боковую платформы имеют некоторые станции Нью-Йоркского и Парижского метрополитенов, расположенные в местах устройства ответвлений от главных путей или разветвления одной линии метрополитена на две и обслуживающие три пути метрополитена.
Трехплатформенные станции могут быть трех типов: с одной островной и двумя боковыми платформами; с одной боковой и двумя островными платформами и с тремя островными платформами.
Станции с одной островной и двумя боковыми платформами имеют либо два пути одной линии метрополитена, либо четыре пути двух линий метрополитена, один их которых может быть и железнодорожным вводом.
Примеры первого случая имеются на линиях метрополитена Барселоны и Бостона. Такое расположение и число платформ и путей позволяют организовать раздельную высадку и посадку пассажиров.
Станции с одной островной и двумя боковыми платформами, обслуживающими четыре пути, рациональны для объединенных пересадочных станций (см. рис. 411, д). На одной из станций метрополитена Барселоны средняя островная платформа длиной 250 м обслуживает железнодорожные пути, а две боковые платформы длиной по 100 м — пути метрополитена.
Такие станции имеются и на линиях Нью-Йоркского метрополитена, где островная платформа предназначена для экспрессных линий, а боковые — для местных.
Станции с одной боковой и двумя островными платформами обслуживают пять путей. Такое число путей возможно, например, на станции, совмещающей две линии метрополитена или одну линию метрополитена и железнодорожный ввод и в то же время расположенной на разветвлении одной из проходящих через станцию линий метрополитена.
Станции с тремя островными платформами могут иметь применение при четырех и шести путях, проходящих через станцию. Единичные примеры таких станций имеются на линиях Нью-Йоркского метрополитена.
Многоплатформенные станции (с четырьмя и большим числом платформ) не получили широкого распространения. Максимальное число платформ имеет одна из нью-йоркских станций, в состав которой входят две боковые и четыре островные платформы.
Конструктивные формы станций метрополитенов
Однопролетные станции. Конструктивная форма станций зависит от геологических условий заложения, способа сооружения, материала обделки, а иногда и от условий эксплуатации.
Рис. 412. Конструктивная форма станций: а — однопролетная; б — двухпролетная; в — трехпролетпая; г — многопролетная
Однопролетные станции (рис. 412, а) применяли на мелко заложенных линиях метрополитенов при расположении на станциях одной островной или двух боковых платформ. Однопролетные станции с двумя боковыми платформами распространены на линиях Парижского и других зарубежных метрополитенов.
Двухпролетные станции. Двухпрслетная конструктивная форма станций (рис. 412, б) получила наибольшее распространение на линиях Берлинского метрополитена, типовые станции которого имеют одну островную платформу. Такую же конструктивную форму имеют некоторые станции с двумя боковыми платформами.
На линиях Московского метрополитена эксплуатируется одна двухпролетная станция с островной платформой.
Трехпролетные станции. Трехпролетная конструктивная форма станций является наиболее универсальной, так как она может применяться при расположении одной, двух и трех платформ на станциях. Так, например, при одной островной платформе трехпролетная станция (рис. 412, в) удобна в эксплуатации и представляет хорошие возможности для архитектурного оформления. Такая же конструктивная форма применима для станций с двумя островными платформами при расположении одного ряда колонн посередине каждой платформы.
Большинство мелко заложенных станций Московского метрополитена — трехпролетные.
Многопролетные станции. К многопролетным относятся станции с числом пролетов более трех. Наибольшее число пролетов на одной из нью-йоркских станций достигает девяти.
Продольные ряды колонн обычно располагают по одному ряду в междупутье и по одному (рис. 412, г) или по два ряда на каждой островной платформе, а иногда и по одному ряду на боковых платформах.
Односводчатые станции имеют очень большое распространение на линиях зарубежных метрополитенов; такая конструктивная форма (рис. 413, а) применима для станций, заложенных на любой глубине.
На линиях Московского метрополитена эксплуатируются две односводчатые станции.
Односводчатая конструктивная форма более всего применима для станций с одной островной или двумя боковыми платформами.
На линиях зарубежных метрополитенов одним сводом перекрывают станции с двумя островными и тремя (одна островная и две боковые) платформами, расположенными в одном уровне. Пролеты таких станций в свету достигают 22 и 27 м.
Рис. 413. Конструктивная форма станций: а — односводчатая; б — односводчатая двухъярусная; в — двухсводчатая
Рис. 414. Конструктивная форма станций:
а — трехсводчатая (2 пути); б — трехсводчатая (4 пути)
Возможно использование односводчатой конструктивной формы для создания объединенной пересадочной станции с двумя островными платформами, расположенными в двух уровнях (рис. 413, б).
Двухсводчатые станции. Двухсводчатая конструктивная форма (рис. 413, в) находит применение для станций с одной островной или двумя боковыми платформами как на линиях мелкого, так и на линиях глубокого заложения.
Двухсводчатые станции встречаются на линиях метрополитенов Москвы, Парижа, Лондона, Стокгольма, Нью-Йорка и других городов. К двухсводчатым относятся также станции с четырьмя боковыми платформами, расположенными в два яруса.
Трехсводчатые станции. Трехсводчатая конструктивная форма применима для станций метрополитенов, заложенных на любой глубине и сооруженных открытым, закрытым и специальными способами работ. Особенно широкое применение трехсводчатая конструктивная форма станций нашла на линиях глубокого заложения советских метрополитенов, где сооружено более 50 трехсводчатых станций с одной островной платформой (рис. 414, а).
При благоприятных геологических условиях в объеме трехсводчатой станции может быть размещено и большее число платформ (рис. 414, б).
Многосводчатые станции. К многосводчатым относятся некоторые станции Чикагского метрополитена, имеющие четырехсводчатую конструктивную форму, а также совмещенные пересадочные станции Лондонского метрополитена, состоящие из четырех параллельных станционных тоннелей кругового очертания, расположенных в одном уровне. Каждый из этих тоннелей предназначен для размещения одного пути и одной боковой платформы.
Из всех рассмотренных выше конструктивных форм, встречающихся на метрополитенах мира, к наиболее целесообразным относятся трехпролетные и односводчатые для станций мелко заложенных линий и односводчатые и трехсводчатые для станций глубоко заложенных линий. В отдельных случаях могут найти применение одпопролетные, двухпролетные и четырехпролетные станции (при четырех путях и двух или трех платформах) на мелко заложенных линиях.
Материалы станционных обделок
Материал, применяемый для создания обделки станции, является третьим существенным признаком каждой станции.
Материалами для станционных обделок могут быть кирпич, камень, монолитный бетон, монолитный железобетон, чугун (в виде тюбингов) и сталь (в виде балок). В настоящее время сооружают станции со сборными обделками из железобетонных блоков сплошного и ребристого сечения.
Стальные тюбинги применяли в практике строительства станций- метрополитенов, но всегда как элементы временного крепления выработок, которые впоследствии заполняли бетоном и которые входили в состав постоянных железобетонных обделок станции как всякая другая оставляемая при бетонировании обделок временная крепь подземных выработок.
Станционные обделки сооружают как из однородных, так и из разнородных материалов. По этому признаку они подразделяются на обделки из однородных материалов и комбинированные из различных материалов.
К станционным обделкам из однородных материалов относятся обделки из каменной или кирпичной кладки, из монолитного бетона или железобетона, из чугунных тюбингов или железобетонных блоков.
К станционным обделкам, комбинированным из различных материалов, относятся обделки из каменной кладки, монолитного бетона н монолитного железобетона, из монолитного бетона и чугунных тюбингов, из монолитного бетона и железобетонных элементов или блоков, из монолитного железобетона и железобетонных элементов.
Примеры применения различных материалов для станционных обделок приведены ниже при рассмотрении конструктивных решений станций.
§ 118. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ СТАНЦИЙ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
Основными размерами станций метрополитена являются: длина и ширина посадочных платформ, длина и ширина среднего зала станции, высота станции в свету, ширина и высота проходов или пролетов.
Длину станций принимают равной длине посадочных пассажирских платформ L, которая зависит от числа вагонов в составе проходящих через станцию поездов:
L = lnB + a, (249)
где I — длина вагона между центрами сцепных приборов;
nu — число вагонов в составе поезда;
а — запас на неточность остановки поездов, принимаемый равным не менее 3 м.
Для определения ширины посадочных пассажирских платформ можно пользоваться формулой, определяющей площадь платформы со*:
со = ПплП, (250)
гдеппл— число пассажиров, одновременно находящихся на платформе в часы «пик»;
г| — плотность заполнения платформы, измеряемая в м2 на 1 чел.
Число пассажиров, одновременно находящихся на платформе, определяется по формуле
«пл= 170пв(Рв4-рп)-^- , (251)
где 170 — расчетная величина заполнения вагонов;
рв и рп — высадка и посадка пассажиров на данной станции в % по отношению к общему числу пассажиров в поезде.
Возможная высадка и посадка пассажиров на станции принимается по данным обследования пассажиропотоков в том районе города, где предполагается сооружение станции метрополитена.
Опыт эксплуатации станций метрополитенов в Москве и Ленинграде показывает, что обычно суммарные проценты высадки и посадки (р0 + рп) пассажиров составляют от 20 до 50% общего числа пассажиров поезда.
* Излагаемая методика определения ширины посадочных пассажирских платформ, числа проходов и длины глухих участков станции аналогична применяемой Мет-рогипротрансом.
Исключение составляют’станции, расположенные у театров, вокзалов, парков и стадионов, для которых в часы «пик» высадка и посадка пассажиров могут составить от 50 (для театров, вокзалов и парков) до 100% (для стадионов). В последнем случае может иметь место либо высадка всех пассажиров поезда, либо посадка, особенно когда станции, расположенные у стадионов, являются конечными станциями линий метрополитена.
Наибольшей плотностью заполнения платформ, при которой допустимо встречное движение пассажиров, является плотность т] = 0,33 м2 на человека. Движение пассажиров при такой плотности может происходить со скоростью не более 0,7 км/ч.
Нормальной плотностью заполнения платформ считается плотность т] = — 0,75 м2 на человека. При такой плотности и встречном движении скорость передвижения пассажиров равна 3 км/ч.
При определении требуемой площади посадочной платформы по формуле (250) может быть принята плотность заполнения платформы от 0,33 до 0,75 м2 на человека в зависимости от условий эксплуатации станций. Так, например, для станций, расположенных у стадионов с массовыми пассажиропотоками, соответствующими полной пропускной способности всех эскалаторов в определенные дни, при расчете площади платформы следует принимать т] = 0,33 м2 на человека.
Для станций, расположенных в центре города, у театров и вокзалов, для которых массовые пассажиропотоки с меньшей, чем в предыдущем случае, интенсивностью имеют место гораздо чаще, можно принимать плотность заполнения платформы г] = 0,55 м2 на человека.
При определении ширины пассажирской платформы по найденной ее площади и необходимо учитывать, что расчетная длина посадочной платформы /р должна приниматься равной длине поезда между крайними дверями, включая их ширину. Для вычисления величины /р следует из полной длины поезда вычесть сумму расстояний от начала поезда до первой двери и от последней двери до конца поезда (~7 м).
Ширина платформы, вычисленная исходя из найденной площади ее и и расчетной длины/р, должна быть увеличена на 0,45 м (ширина полосы, ограниченная предохранительной линией).
Таким образом, необходимая ширина посадочной пассажирской платформы
6 ——-|-0,45. (252)
zp
Величина b представляет собой ширину одной посадочной платформы для двух-или трехсводчатых станций пилонного типа, где посадочные платформы расположены в самостоятельных боковых тоннелях станции.
Для определения ширины В островной платформы односводчатых или однопролетных станций можно пользоваться формулой
В = 2Ь + Ьо, (253)
где Ьо — дополнительная ширина платформы, учитывающая продольное движение пассажиров по платформе.
На однопролетных и односводчатых станциях, не имеющих среднего зала платформы (островная или две боковые) служат не только для высадки и посадки пассажиров в поезда, но и для их продольного движения к эскалаторам или лестницам и в обратном направлении. Величину Ьо рекомендуется принимать равной 2 или Змв зависимости от числа эскалаторов (3 или 4) или ширины лестниц, связывающих станцию с поверхностью земли. При этом ширина лестницы может быть приведена к эквивалентному ей числу эскалаторов, исходя из норм пропускной способности одного эскалатора и лестницы шириной 1 м.
Для колонных станций, где два или три тоннеля объединяются в единый станционный объем, полная ширина островной платформы может быть определена также по формуле (253), но увеличена на 1 м при расположении на платформе одного ряда колонны и на 2 м при расположении на платформе двух рядов 404
/луной, участок станции.
Проемный
участок станции. Глунойучаспн
станции
Рис. 415. Примыкание эскалаторного тоннеля к трехсводчатой станции:
/ — наклонный эскалаторный тоннель; 2 — посадочная пассажирская платформа; 3 —средний зал станции; 4 — пилон; 5 — проход; 6 — торцовая стена
колонн. При этом ширина боковых участков платформ (от края платформы до грани колонны) может быть уменьшена по сравнению с расчетной шириной b при шаге колонн от 3 до 4 м — на 1 м, при шаге колонн более 4 м — на 1,5 м.
Независимо от расчета минимальная ширина платформ должна приниматься равной:
1) для односводчатых (и однопролетных) станций с одной островной платформой — 8 м;
2) для станций с двумя боковыми платформами — по 4 м каждая;
3) для колонных станций (с двумя рядами колонн) полная ширина платформы — не менее 12 м и от края платформы до наружной грани колонн в отделке — не менее 2 м;
4) посадочные пассажирские платформы для глухих участков пилонных и колонных станций должны иметь ширину не менее 3,2 м.
Эти минимальные размеры платформ должны приниматься в тех случаях, когда полученная по расчету ширина посадочной пассажирской платформы b оказывается меньше 3,2 м или когда она определяет полную ширину островной или боковой платформы, меньшую указанной в пп. 1, 2, 3.
Средний зал как самостоятельный элемент присущ только трехсводчатой конструктивной форме станции. Длина среднего зала во многих случаях определяется возможным примыканием к станции одного или двух наклонных экска-латорных тоннелей при определившемся положении входных вестибюлей на плане городской застройки.
Следует различать два основных случая примыкания эскалаторных тоннелей к станциям метрополитена.
Первый случай (рис. 415) — ось наклонного эскалаторного тоннеля в плане совпадает (или имеет угол, близкий к 180°) с продольной осью станции, а нижняя площадка эскалаторов располагается на уровне станционной платформы.
Второй случай (рис. 416) — ось наклонного эскалаторного тоннеля в плане образует угол с продольной осью станции, а нижняя площадка эскалатора располагается на уровне, находящемся на ~3,15 м выше уровня станционной платформы, т. е. на уровне мостика, проходящего над поездами метрополитена.
В первом случае длина среднего зала (при устройстве эскалаторных тоннелей с двух торцов станции и сквозного среднего зала) определяется чаще всего возможным расположением наземных вестибюлей в районе городской застройки.
Во втором случае длина среднего зала станции гораздо меньше зависит от расположения наземных вестибюлей, поэтому ее можно принимать в зависимо
сти от числа проходов (при пилонном типе) и пролетов (при колонном типе) станции.
Минимальная длина среднего зала станции должна составлять не менее 1/4 длины посадочных пассажирских платформ и позволять разместить необходимое число проходов (или пролетов) между средним залом и боковыми платформами.
Число проходов из среднего зала станции на боковые платформы обычно принимают от четырех до десяти с каждой стороны и выбирают в зависимости от интенсивности ожидаемых пассажиропотоков, определяемой расположением станции в городе. Число проходов может быть определено также по формуле
п = 60ппл k 5
пр 35006Пр t
где 3 500 — пропускная способность на 1 м ширины прохода при двустороннем движении, чел-ч;
/г — коэффициент неравномерности использования проходов, принимаемый равным 2;
6пр — ширина прохода, м;
t — интервал между поездами, мин.
При проектировании станций колонного типа с укороченным средним залом число пролетов рекомендуется назначать равным полуторному числу проходов, которое должно быть принято при таких же условиях для станций пи-лонного типа, что дает в обоих случаях приблизительно одинаковую длину среднего зала.
При назначении длины среднего зала станции следует проверять условия эксплуатации посадочных пассажирских платформ в пределах глухих участков посадочных платформ. При этом исходят из условия, что пассажиры, использующие глухие участки посадочных платформ, должны пройти через крайние станционные проходы, соединяющие средний тоннель станции с боковыми. Поэтому длину глухих участков посадочных платформ /' проверяют по пропускной способности одного прохода станции за время, соответствующее интервалу между поездами:
35006' йпр М] — 606'
где 1г' — коэффициент, учитывающий плотность заполнения платформы. При 1], равном 0,75; 0,55; 0,33 м2, коэффициент /г' соответственно равен 1,0; 0,75; 0,5;
Ь' — ширина глухой части посадочной платформы за вычетом ширины предохранительной полосы, м.
----z'..
(255)
Рис. 417. Определение величины внутреннего диаметра станционных тоннелей
Рис. 416. Примыкание эскалаторного тоннеля к одпосводчатой станции:
1 — наклонный эскалаторный тоннель; 2 — натяжная камера эскалаторов: 3 — подходной коридор; 4 — щитовая камера; 5 — служебные помещения; б — островная платформа
Ширина среднего зала в значительной степени зависит от способа примыкания к станции наклонного эскалаторного тоннеля.
При продольном примыкании эскалаторов к станции (первый случай) минимальная ширина среднего зала станции должна быть равна 7 м при трех эскалаторах и 8,5 м при четырех.
Для случая примыкания эскалаторов под углом к станции (второй случай) минимальная ширина среднего зала может составлять 6 м (вместо 7 м в первом случае).
Увеличение ширины среднего зала по сравнению с минимальной диктуется как интенсивностью пассажиропотоков, так часто и самим конструктивным типом станции, особенно для станций на глубоко заложенных линиях при заданных диаметрах станционных тоннелей.
Внутренний диаметр станционных тоннелей выбирают исходя из габарита приближения строений для станций метрополитенов и расчетной ширины посадочной пассажирской платформы (рис. 417). При этом учитывают расположение на платформе стен, поддерживающих облицовку пилонов, и необходимость пропуска за стецой воздуха через вентиляционную щель шириной не менее 20 см.
Высота станций (в отделке) определяется конструктивной формой ее обделки, а иногда требованиями архитектурного оформления и обычно принимается не менее 4 м.
Высоту проходов, соединяющих средний и боковые тоннели станции между собой, устанавливают в зависимости от диаметра и конструкции станционных тоннелей в пределах от 2,5 до 3, 5 м.
Ширину проемов принимают достаточной по условиям эксплуатации станций и кратной ширине колец обделки (3—4 м); допускается уменьшение до 2,5 м.
Важным фактором, влияющим на некоторые размеры станций, является требуемое число эскалаторов.
Число эскалаторов пэ зависит от часового пассажирооборота станции пппл (п. — число пар поездов в час) и пропускной способности одного эскалатора, принимаемой равной 8000 чел/ч, т. е.
_ 2/г/г пл 3 8000 '
Для сообщения станции с поверхностью принимают минимально три эскалатора, из которых один работает на вход, другой — на выход, третий является запасным. При больших пассажиропотоках число эскалаторов увеличивают до четырех (в одном торце станции) или до шести (по три в каждом торце станции). При этом эскалаторы высотой 5—7 м устраивают только для подъема пассажиров, а при высоте более 7 м — для подъема и спуска.
На некоторых зарубежных метрополитенах (Лондонский, Парижский, Нью-Йоркский) взамен эскалаторов применяют лифты. На метрополитенах Советского Союза лифты пока не применялись, так как они имеют малую пропускную способность по сравнению с эскалаторами. Однако на отдельных станциях, имеющих незначительные пассажиропотоки, многоместные скоростные лифты могут быть применены.
Ширину лестниц, соединительных коридоров и переходов над путями принимают, исходя из часового пассажирооборота станции и норм для расчета их пропускной способности.
При определении основных размеров станций следует учитывать, что число дверей в вестибюлях, эскалаторов, кабин лифтов и ширина лестниц должны соответствовать площади платформы, числу и ширине проходов1.
1 Нормы пропускной способности станций приведены в СНиП П-Д.3-68.
Глава 29
КОНСТРУКТИВНЫЕ И ПЛАНИРОВОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ СТАНЦИЙ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
§ 119. КОНСТРУКЦИИ СТАНЦИИ с плоскими ПЕРЕКРЫТИЯМИ
Однопролетные станции. Однопролетную конструктивную форму станций осуществляли на старых линиях, например на линиях Парижского метрополитена, сооруженных еще в начале нашего века. Стены и обратный свод такой станции выполняли из монолитного бетона и частично камня, перекрытие — из металлических двутавровых клепаных балок с кирпичными сводиками между ними.
На линии Римского метрополитена имеется однопролетная станция более поздней постройки с обделкой из монолитного железобетона в виде жесткой замкнутой рамы с ломаными верхним и нижним ригелями.
В настоящее время в связи с возможностью изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций, позволяющих перекрывать значительные пролеты, применение в отдельных случаях однопролетных станций вполне целесообразно (рис. 418).
Перекрытие станции может состоять из однопролетных ребристых блоков шириной 0,75; 1,0; 1,5 ми более в зависимости от действующих на перекрытие нагрузок и грузоподъемности крана, имеющегося в распоряжении строительства.
Стены однопролетных станций можно выполнять из монолитного железобетона, жестко связанного с лотковой плитой, и из железобетонных элементов заводского изготовления, опирающихся на лотковую плиту.
Применение станций однопролетной конструктивной формы ограничивается условиями статической работы ее лотковой плиты. При наличии в основании станции слабых пород или значительном гидростатическом давлении на лоток станции требуется обратный свод, способный воспринять значительные нагрузки. Однако устройство обратного свода большого пролета увеличивает объем выемки породы и усложняет работы по сооружению станции. Поэтому однопролетную конструктивную форму станции следует применять при таких условиях заложения, когда лоток может быть плоским и иметь толщину не более 50 см при нормальном проценте содержания арматуры.
Двух- и трехпролетные станции. Двухпролетная конструктивная форма рациональна для станций с двумя боковыми платформами, но применяется также для станций с одной островной платформой.
Трехпролетная конструктивная форма целесообразна для станций с одной островной платформой.
Рис. 418. Поперечное сечение однопролетнои станции
Рис. 419. Поперечное ечспие трехпролетпой станции Московского метрополитена
Новейшие двух- и трехпролетные станции метрополитенов мира сооружали из монолитного железобетона, часто с применением стальных прокатных профилей, а на метрополитенах Советского Союза — из монолитного железобетона и железобетонных элементов. Станции из монолитного железобетона различаются конструктивными решениями перекрытий, стен и лотков. Подавляющее большинство станций имеет ребристые перекрытия, в которых главными несущими элементами являются один или два продольных прогона на колоннах. На продольные прогоны опираются поперечные балки, которые в свою очередь служат опорами неразрезных плит. На некоторых станциях поперечные балки перекрытия отсутствуют и на прогоны опираются более мощные, чем в первом случае, плиты (рис. 419).
Перекрытия трехпролетных станций в отдельных случаях осуществляются как безбалочные плиты (рис. 420).
Конструктивные решения лотков также различны. В одних случаях лоток представляет собой мощную железобетонную плиту, на которую опираются стены и башмаки колонн, в других — лоток образуется неразрезной плитой, монолитно связанной с продольными прогонами, на которые опираются колонны станций (см. рис. 420). Существуют и такие станции, где стены и колонны опираются на породу при помощи самостоятельных ленточных финдаментов, а бе-,тонный лоток, состоящий из независимых в каждом пролете участков, свободно опирается на ленточные фундаменты стен и колонн.
Во всех этих случаях лотковые плиты являются несущими элементами, статическая работа которых соответствует одно-, двух- или трехпролетной пли-
Рис. 420. Поперечное сечение трехпролетной станции Московского метрополитена с безбалочным перекрытием
те на упругом основании. Такие плиты воспринимают нагрузку от реактивного давления породы, а часто также и от давления воды.
Стены двух- и трехпролетных станций, как правило, представляют собой плиты сплошного сечения, связанные монолитно с перекрытием и плоским лотком.
Из рассмотренных выше способов решения перекрытий наиболее приемлемым для станций из монолитного железобетона представляется безбалочное перекрытие, дающее наилучшую архитектурную форму.
Из ребристых рационально перекрытие, продольные прогоны которого являются его главными несущими элементами. При этом решении внутреннее пространство станции используется наиболее полно.
Шаг колонн для двух- и трехпролетных станций из монолитного железобетона до сих пор колебался в пределах от 5 до 7 м; рационально принимать его стандартным, равным 6 м. Введение стандартного шага колонн для всех станций двух- и трехпролетной конструктивной формы с обделками из монолитного железобетона имеет существенное значение, так как дает возможность применять типовые каркасы арматуры и типовые элементы металлической опалубки.
Наиболее распространенным конструктивным решением для станций с плоскими перекрытиями на метрополитенах СССР является решение, при котором используют железобетонные элементы заводского изготовления (рис. 421). Главное достоинство таких станций — простота их сооружения, основной процесс которого заключается в укладе на место железобетонных элементов при помощи портального крана. Монолитными в этих станциях выполняюттолько лотковые плиты, так как укладка в них бетона — простая операция, не требующая устройства опалубки. Однако и они могут быть собраны из готовых элементов с последующим замоноличиванием стыков.
Минимальный шаг колонн для этих станций был принят равным 4 м, а затем 4,5 м с тем, чтобы, пользуясь модулем 1,5 м, можно было увеличить шаг колонн до 6 м и в отдельных случаях до 7,5 м в зависимости от величины нагрузки, действующей на перекрытие станции. Модуль 1,5 м принят с целью унификации конструктивных элементов станций.
Для блоков перекрытия в зависимости от архитектурного оформления станции возможны два конструктивных решения, дающих ребристую и гладкую поверхность потолка. В первом случае блоки перекрытия представляют собой корытообразные элементы с ребрами, обращенными внутрь станции. Во втором случае для получения гладкого потолка блоки перекрытия могут быть прямоугольного сечения с пустотами в середине, облегчающими их вес. Количество пустот определяется статической работой блоков, форма пустот — технологией изготовления блоков на заводе.
Рис. 421. Поперечное сечение трех-пролетиой станции Московского метрополитена из сборного и монолитного железобетона (шаг колонн — 6 м)
Продольный, разрез
Продольные прогоны таврового сечения с полкой внизу позволяют получить наибольшую высоту станции (см. рис. 421). Прогоны имеют вид простых или двухконсольных одйопролетных балок. Возможно также собирать перекрытия из плит, обрамленных ребрами и опирающихся непосредственно на колонны (без прогонов) и стеновые блоки.
Стеновые блоки станции могут иметь сплошное или ребристое поперечное сечение с консолью сверху для опирания блоков перекрытия и с консольным башмаком внизу, передающим нагрузку на лотковую плиту.
Опирание колонн на лотковую плиту может иметь два решения в зависимости от характеристики пород, залегающих в основании станций. При наличии в основании станции слабых пород, на которые давление должно передаваться по всей ширине станции, колонны опирают без устройства башмаков в «стаканы» в продольных прогонах лотковой плиты. Статическая работа лотковой плиты становится определеннее, если плита опирается на продольные прогоны, являющиеся средними опорами. В тех случаях, когда лотковую плиту проектируют из сборных элементов, сборными должны быть и продольные прогоны.
В случае расположения в основании станций прочных пород, способных воспринять давление, передающееся через ограниченную площадь, опирание колонн на лотковую плиту можно осуществлять через железобетонные башмаки. В этом случае лотковая плита выравнивает основание станции и воспринимает гидростатическое давление при наличии воды.
Планировочное решение трехпролетной станции определяет длину посадочных пассажирских платформ, продольный шаг и расположение колонн на платформе, примыкание лестниц или эскалаторов в торцах станции и размещение служебных помещений (рис. 422). Для станций из монолитного железобетона необходимы деформационные швы (через 30—50 м).
Вестибюли располагают в большинстве случаев в торцах станции и реже в середине; их конструктивные и планировочные решения приведены ниже в главе 31.
Необходимые служебные помещения размещают частично над путями (на уровне пола вестибюля) по обе стороны от лестницы и частично под лестницей и полом вестибюля.
Гидроизоляцию мелко заложенных станций осуществляют оклейкой внешней поверхности станции тремя слоями гидроизола на горячем битуме или нанесением горячей битумной мастики на внешнюю поверхность станции, покрытую предварительно стеклотканью. Последний способ предпочтительнее, так как создает надежное водонепроницаемое покрытие и менее трудоемок.
В последнее время оклеечную гидроизоляцию повсюду заменяют новыми гидроизоляционными материалами — стеклобитом, полиэтиленом, эпоксидно-фурановыми мастиками и др. Наиболее перспективной является гидроизоляция из полимерных материалов, нанесенных на элементы конструкций при их изготовлении с последующей гидроизоляцией на месте только стыков.
В тоннелях с плоскими перекрытиями при недостаточном их заглублении (меньше 1,0 м) и для городов со средней температурой самого холодного месяца t < 0° С может появиться конденсация влаги из воздуха на внутренних поверхностях перекрытий и верхних частях примыкающих к ним стен. Для предотвращения появления конденсата, вредно отражающегося на отделке тоннелей и опасного для электрооборудования, применяют теплоизоляцию— пенобетон.
Толщину слоя пенобетона определяют из условия
Z> b кпер лтр>
где &пср — коэффициент теплопередачи конструкции перекрытия с расположенными на нем теплоизолирующим, выравнивающим, защитным и другими слоями;
/етр — требуемый коэффициент теплопередачи конструкций, ограждающих тоннели от поверхности.
Значения коэффициентов теплопередачи для некоторых главнейших городов СССР и отдельных материалов слоя приводятся в специальной литературе.
При расположении трехпролетных станций в городах, где возможны землетрясения до 9 баллов (например, в Ташкенте), увеличивают внутренние размеры станций по ширине на 30 мм и по высоте — на 140 мм с тем, чтобы сохранить габарит приближения строений при возможных деформациях обделки как от сейсмических воздействий, так и от связанной с ними просадки основания.
Конструктивные элементы станций рассчитывают с учетом сейсмических нагрузок (коэффициент 1,5), а стыки железобетонных элементов омоноличивают в узлах. Продольные прогоны станции, которые служат также антисейсмическими поясами, проектируют из монолитного железобетона. Эти пояса и монолитный железобетонный лоток станции связывают сборную конструкцию станции в единое целое, хорошо сопротивляющееся сейсмическим воздействиям в продольном и поперечном направлениях. При этом, как и обычно, предусматривают устройство деформационных швов в третях станций.
§ 120. ОДНОСВОДЧАТЫЕ И ДВУХСВОДЧАТЫЕ СТАНЦИИ
Односводчатые станции. Односводчатую конструктивную форму станции широко применяли на линиях зарубежных метрополитенов. Особенно много односводчатых станций сооружено на линиях Парижского метрополитена, где такие станции являются основным типом как при открытом, так и при закрытом способе работ.
Две односводчатые станции Московского метрополитена расположены на небольшой глубине и имеют совершенно различные конструктивные решения. Одну из этих станций сооружали в открытом котловане, и ее обделка представ-412
Рис. 423. Поперечное сечение одпосводчатой станции Харьковского метрополитена с обделкой из монолитного железобетона
Рис. 424. Поперечное сечение односводчатой станции с обделкой нз сборного железобетона
Рис. 425. Поперечное сечение односводчатой станции Парижского метрополитена с обделкой нз монолитного и сборного железобетона
SSI
ляет собой однопролетную раму со сводчатым ригелем. Другую станцию соору' жали без вскрытия поверхности способом опорного ядра, и ее обделка, состоящая из верхнего свода, стен и обратного свода, выполнена из монолитного бетона (стены и обратный свод) и бутового камня (верхний свод).
Для односводчатых станций, сооружаемых открытым способом, в настоящее время могут быть применены конструктивные решения из монолитного железобетона (рис. 423) и из сборного железобетона (рис. 424).
В первом случае свод опирается на жесткие опоры на упругом основании, а плоский лоток выполняет роль затяжки. Для свода, опор и лотка применяют бетон высоких марок, армированный сварными самонесущими каркасами, изго
товленными на заводе.
Во втором случае станцию собирают из четырех железобетонных элементов двух типов, образующих опоры и трехшарнирный свод одной секции шириной 2—3 м. Лоток станции может быть как монолитным, так и сборным.
При применении односводчатых станций целесообразно включать в единый объем не только пассажирскую платформу, но и вестибюли, тягово-понизительную подстанцию, вентиляционную камеру и все необходимые служебные поме-
щения.
На скоростной линии Парижского метрополитена, введенной в эксплуатацию в 1970 г., закрытым способом сооружена односводчатая станция «Обер» оригинальной конструкции (рис. 425).
Свод станции, смонтированный из железобетонных блоков сплошного сечения, опирается на пустотелые стены из монолитного бетона, армированного металлическими балками временного крепления. Снизу станция замыкается обратным сводом из монолитного бетона.
Внутреннее пространство среднего зала разбито на три этажа, из которых нижний используют для размещения пассажирских платформ и путей, а средний и верхний являются распределительными и осуществляют связь пассажирских платформ с поверхностью. Коридоры в стенах используют для размещения в них эскалаторов и лестниц, связывающих пассажирскиешлатформы со средним этажом. Верхний этаж соединен эскалаторами с поверхностью и лест-
ницами со средним этажом.
Сборный свод станции состоит из отдельных арок шириной 0,8 м, каждая из которых смонтирована из 15 блоков. Радиальные стыки блоков—цилиндрические; блоки соединены по кольцу при помощи рецессов пирамидальной формы (рис. 426). Во всех стыках блоки при монтаже склеены друг с другом эпоксидной смолой.
Верхний свод станции обжат в породу при помощи двух домкратов Фрейс-сине, заложенных внутрь замкового блока при его бетонировании. Дополнительное обжатие блоков происходит за счет нагнетания цементно-песчаного раствора в резиновые камеры, расположенные на внешней поверхности каждого из блоков '(см. рис. 426). Таким образом,
Рис. 426. Конструкция блока:
I — резиновая камера; 2 — железобетонная плита, закрывающая прн установке блоков резиновую камеру; 3 — трубка для нагнетания цементного раствора в резиновую камеру; 4— рецессы пира* мндальной формы
несущий свод включается в работу немедленно после его сборки.
Односводчатые станции Ленинградского метрополитена представляют собой сборные конструкции (рис. 427). Здесь верхний свод состоит из 12 стандартных и одного замкового железобетонных блоков сплошного сечения. Свод, как и на станции «Обер», обжат в породу при помощи двух домкратов Фрейссине, вставленных в замковый блок при его изготовлении.
Опорами свода служат заполненные бетоном более чем на половину своего сечения тоннели DH = 5,50 м с обделкой из железобетонных блоков
0611
Рис. 427. Поперечное сечение односводчатой станции Ленинградского метрополитена с обделкой из сборного железобетона
Рнс. 428. Поперечное сечение односводчатой станции с обделкой из железобетонных блоков
Рнс. 429. Поперечное сечение односводчатой станции с обделкой свода из монолитного бетона
ребристого сечения. Обратный свод из 10 блоков сплошного сечения с замком из жесткого бетона сооружают в последнюю очередь, поэтому он не участвует в передаче давления от свода на породу. Гидростатическое давление здесь отсутствует.
Ширина платформы этих станций позволяет осуществить продольное примыкание эскалаторов в торцах станций. Выполнение такого примыкания потребовало сооружения в кембрийских глинах стен из монолитного бетона для опирания на них разомкнутых обделок перегонных тоннелей, а также верхнего и нижнего сводов натяжной камеры (показано на рис. 427 пунктиром).
Применение односводчатых станций, сооружаемых закрытым способом, в тех случаях, когда они полностью или в нижней части могут быть расположены в скальных породах, приведет к более экономичному решению, при котором опоры свода будут иметь ограниченные размеры и их можно будет сооружать либо из бетонных блоков, укладываемых на породу без предварительной проходки штолен, либо из монолитного бетона в штольнях минимальных размеров (рис. 428).
Конструкция свода односводчатой станции может быть различной в зависимости от геологических и гидрогеологических условий заложения станции, влияющих на выбор способа ее сооружения. При расположении свода станции в слабых породах, разработка которых может производиться только при помощи полущита, наиболее целесообразно применять элементы из железобетона или чугуна.
Чугунные тюбинги допускается применять только при значительнсм горном давлении на свод станции (свыше 50 тс/м2) или гидростатическом давлении, превышающем 1 кгс/см2. При сооружении свода в глинах или скальных породах слабых и средней крепости наиболее целесообразно применение железобетонных блоков сплошного или ребристого сечения.
Возведение сводов станций глубокого заложения из монолитного бетона может быть оправдано, если односводчатые станции сооружаются в скальных породах, в которых временное крепление выработок может осуществляться при помощи анкеров (рис. 429).
Анкерная крепь может быть использована для подвески опалубки при бетонировании свода. Опалубка может быть запроектирована в виде инвентарных металлических элементов временного назначения или в виде железобетонных плит, образующих внутреннюю поверхность свода. При изготовлении плит на заводе поверхность их может быть любым образом архитектурно оформлена, что уменьшает объем трудоемких отделочных работ, выполняемых при сооружении станции.
В тех случаях, когда в основании односводчатой станции залегают крепкие породы и гидростатическое давление отсутствует, лотком станции может быть простая стяжка из бетона. При наличии гидростатического давления обратный свод станции сооружают из монолитного железобетона с гидроизоляцией. Если
Рис. 430. Поперечное сечение двухсводчатой станции Лондонского метрополитена
Рис. 431. Поперечное сечение двухсводчатой станции Нью-Йоркского метрополитена
гидростатическое давление невелико, в качестве гидроизоляции может быть нанесен слой торкрета на безусадочном водонепроницаемом цементе.
Водонепроницаемые железобетонные блоки могут быть использованы для обратного свода с последующей расчеканкой швов между ними расширяющимся цементом.
Обычно эскалаторные тоннели примыкают к односводчатой станции с платформой шириной 8—9 м под углом к ее продольной оси на уровне мостиков над путями (см. рис. 416). Связь между мостиками и станционными платформами осуществляют при помощи лестниц или эскалаторов облегченного типа.
Служебные помещения располагают над путями на уровне мостика и на уровне платформы под мостиком и лестницами.
Односводчатые станции с платформой шириной 10—11 м позволяют располагать эскалаторные тоннели между перегонными и примыкать на уровне пассажирской платформы.
Двухсводчатые станции. Большое число двухсводчатых станций, сооруженных на глубоко заложенных линиях Лондонского метрополитена, состоит из двух тоннелей, в каждом из которых расположен один путь и одна боковая платформа (рис. 430). Обделки тоннелей этих станций собраны из чугунных тюбингов, образующих кольца шириной 0,45 м.
Примером применения двухсводчатых станций с обделкой из монолитного бетона служит одна из станций Нью-Йоркского метрополитена (рис. 431), заложенная в скальных породах.
Основным недостатком двухсводчатых станций является неизбежность продольного движения пассажиров вдоль посадочных платформ, что при больших пассажиропотоках может мешать посадке и высадке пассажиров. Вследствие этого на линиях метрополитенов Советского Союза двухсводчатые станции, как правило, не применяют.
Применение двухсводчатых станций в будущем можно допускать только на глубоко заложенных линиях в геологических условиях, в которых осуществление трехсводчатых станций связано с большими осложнениями при производстве работ, а также для станций с относительно небольшими пассажиропотоками.
Рис. 432. План двухсводчатой станции
Обделки тоннелей двухсводчатых и трехсводчатых станций одинаковы; их конструктивные решения из чугунных тюбингов и железобетонных блоков рассмотрены ниже применительно к трехсводчатым станциям.
Боковые платформы в середине, в одном или в обоих торцах двухсводчатых станций связывают с небольшими аванзалами, соединяющимися с поверхностью при помощи эскалаторов (рис. 432).
Служебные помещения двухсводчатых станций располагают в торцах посадочных пассажирских платформ (ДСП и дикторские) и в глухом торце аванзала.
§ 121. ТРЕХСВОДЧ^ТЫЕ СТАНЦИИ ПИЛОННОГО ТИПА
Станции с обделками из чугунных тюбингов. Основным конструктивным элементом трехсводчатых станций с чугунной сборной обделкой является тоннель кругового очертания. Станционные тоннели трехсводчатых станций метрополитенов мира имеют диаметры от 6,5 до 10,00 м.
Тоннели трехсводчатых станций на линиях советских метрополитенов имеют два диаметра — 9,5 и 8,5 м.
При проектировании чугунной обделки введено изменение площади и момента инерции поперечного сечения тюбингов по контуру обделки в соответствии с эпюрой изгибающих моментов.
Последняя запроектированная в 1951 г. в СССР конструкция чугунной обделки станционных тоннелей наружным диаметром Dn = 9,5 м состоит из колец шириной 75 см, собираемых из 16 тюбингов четырех типов (рис. 433). Конструкция тюбинга станционного тоннеля D„ — 9,5 м показана на рис. 434.
Кольца чугунной обделки станционного тоннеля наружным диаметром 8,5 м имеют ширину 75 см и состоят из 17 тюбингов пяти типов (рис. 435).
Поперечное сечение тюбингов АКВ, АВС, АНВ отличается от поперечного сечения тюбинга СН наличием среднего ребра, значительно увеличивающего прочность и жесткость тюбинговой обделки тоннелей наружным диаметром 8,5 м.
Конструкция сводчатых станций пилонного типа состоит из трех тоннелей диаметром 9,5 или 8,5 м, расположенных в одном уровне параллельно друг другу (рис. 436). Расстояние между осями тоннелей изменяется в зависимости от размеров принятого между ними промежутка. Этот промежуток для бол-шинства осуществленных в СССР станций пилонного типа принят равным 0,90 и 1,35 м; в отдельных случаях промежутки были уменьшены до 0,65 и 0,75 м или увеличены до 1,6 и 3,0 м.
Для образования проходов между средним и боковыми тоннелями в обделку боковых тоннелей с одной стороны и в обделку среднего тоннеля с обеих
сторон вмонтированы специальные рамы, воспринимающие усилия от разомкнутых колец.
Рамы проемов состоят из верхней и нижней перемычек, одинаковых по своим размерам и конструкции, и из тюбингов, входящих в состав пилонов и имеющих усиленное поперечное сечение при наружных размерах, точно соответствующих размерам нормальных тюбингов обделки станционных тоннелей (рис. 437).
Усиление рамных тюбингов по сравнению с тюбингами нормальных колец достигается увеличением толщины спинки и бортов, а также введением среднего ребра в сечение тюбингов МРП-1 и МРП-2, воспринимающих наибольшие усилия (рис. 438).
Простенки между соседними проемами — пилоны — для большинства осущест-
Рис. 433. Обделка станционного тоннеля £>„ = 9,50 м из чугунных тюбингов
Херда /800
Рис. 434. Конструкция тюбинга СН
вленных станций имеют размер вдоль станции, равный ширине четырех или трех колец (узкие пилоны).
Применение узких пилонов создает значительные эксплуатационные преимущества, улучшает архитектурное оформление станции и лишь незначительно повышает стоимость ее чугунной обделки. Обделку проходов между боко-
выми и средним тоннелями выполняют трех конструктивных типов: с оклеенной гидроизоляцией, с металлической гидроизоляцией и без гидроизоляции.
При заложении станций в обводненных породах целесообразно конструктивное решение, состоящее из внешней бетонной обделки, к которой с внутренней стороны при помощи анкеров прикрепляют металлические листы изоляции, сваренные между собой (рис. 439).
Внутреннее очертание бетонной обделки совпадает с очертанием чугунной
рамы проема; ее внешнее очертание может в каждом случае изменяться в зависимости от нагрузок, действующих на об-
делку прохода, и, следовательно, уточняется расчетом.
Толщину бетонной обделки проходов принимают не менее 40 см. Такая толщина обеспечивает надежность заделки анкеров металлической изоляции.
Давление воды, проникающей через бетонную обделку проходов, воспринимается металлическими листами, работающими благодаря приваренным к ним анкерам аналогично плитам на многих опорах. Зигзагообразная форма анкеров обеспечивает передачу касательных усилий, т. е. совместную работу металлического листа и бетона. При отсутствии такой необходимости анкеры могут быть прямыми.
Рис. 435. Обделка станционного тоннеля DH=8,50 м из чугунных тюбингов
Рис. 436. Поперечное сечение трехсводчатой станции с обделкой из чугунных тюбингов
Для станций пиленного типа, не испытывающих гидростатического давления, конструкцию обделки проходов осуществляют в виде выполненных из бетона верхнего и нижнего сводов, опирающихся на стены.
Толщину верхнего свода в замке принимают равной 40—50 см (увеличивается к пятам), внутреннюю поверхность свода покрывают слоем торкрета толщиной 3—4 см по металлической сетке.
Торцовые стены пиленных станций метрополитенов СССР имеют конструкцию трех видов. На большинстве станций зта конструкция выполнена в виде внешней бетонной и внутренней железобетонной стен с оклеечной гидроизоляцией между ними. Внешние бетонные стены могут иметь толщину от 60 до 100 см в зависимости от геологических условий заложения станций. Толщину внут-
Рис. 438. Конструкция тюбинга М.РП-1
ренней железобетонной стены определяют статическим расчетом в зависимости от величины гидростатического давления. В отдельных случаях при очень большом гидростатическом давлении торцовой стене среднего зала станции придают сферическую форму.
Другая конструкция торцовых стен, аналогичная конструкции обделки проходов, состоит из внешней бетонной стены, к которой с внутренней стороны крепят при помощи анкеров металлические листы.
В некоторых случаях торцовые стены выполняют только из бетона или бутовой кладки. Внутреннюю их поверхность покрывают слоем торкрета толщиной 3—4 см по металлической сетке.
Рис. 439. Конструкция обделки прохода с гидроизоляцией из металлических листов
Для планировочного решения трехсводчатой станции пиленного типа характерно смежное расположение трех тоннелей, связанных проходами, примыкание эскалаторных тоннелей вдоль оси станции и размещение большого числа служебных помещений под платформой среднего зала (рис. 440).
Служебные помещения связаны с платформой лестницей шириной 1 м, расположенной в торце станции (если он свободен) или в специальном проходе между тоннелями.
В торцах посадочных боковых платформ со стороны выхода поездов в перегонные тоннели размещают кабины дежурного по станции (ДСП-1 и ДСП-2); дикторскую располагают в кабине ДСП-1.
Медпункт, санузел и помещения, связанные с уборкой станции, располагают обычно в отдельной выработке небольших размеров в одном из торцов станции между боковыми тоннелями. Эти помещения связывают с боковыми платформами станции двумя проходами.
Достоинства трехсводчатой станции пилонного типа с обделкой из чугунных тюбингов:
1) благодаря круговому очертанию тоннелей, составляющих обделку станции, она хорошо сопротивляется воздействию разнообразных сочетаний горного и гидростатического давления, поэтому такую станцию можно возводить в самых различных геологических и гидрогеологических условиях;
2) наличие среднего зала улучшает условия эксплуатации станции, так как боковые платформы служат только для посадки и высадки пассажиров, а средний зал — для прохода пассажиров к эскалаторам и обратно;
3) надежность гидроизоляции обеспечивают применением чугунных тюбингов в сочетании с металлическими листами, сваренными между собой герметическими швами.
Недостатки существующих станций пилонного типа могут быть отнесены не к конструктивному решению станции в целом, а лишь к ее деталям, которые требуют некоторого изменения и улучшения. К таким недостаткам относятся:
1) большое число тюбингов в кольцах обделок станционных тоннелей;
2) большое число болтовых отверстий по кольцевым бортам обделок этих тоннелей;
3) несимметричное относительно горизонтальной оси расположение рам проемов в обделке тоннеля Da = 9,5 м, не оправданное конструктивными, архитектурными или эксплуатационными соображениями;
4) значительный расход чугуна, часто не оправданный действующими нагрузками.
Станции с обделками из железобетонных блоков. Основным конструктивным элементом пилонных станций с обделкой из железобетонных блоков является кольцо Da = 8,5 м, состоящее из 15 (для Ленинградского метрополитена) или 10 (для Киевского метрополитена) блоков ребристого сечения (рис. 441). В обоих случаях ширина колец принята 75 см и число типов тюбингов 3 (нормальный, смежный с замковым и замковый). Высота и толщина ребер и толщина спинки блоков различны и зависят от действующих нагрузок.
Возможные конструктивные решения станций пилонного типа с обделками из железобетонных блоков при установленном диаметре станционных тоннелей зависят от конструктивного решения проемов в обделках тоннелей и проходов между боковыми и средним тоннелями. На одной из линий Киевского метрополитена эксплуатируется станция, состоящая из трех тоннелей, расположенных в одном уровне при расстояниях 10,1 м между их вертикальными осями. Промежуток между тоннелями увеличен до 1,6 м по сравнению с тем, который принимался для аналогичных станций с чугунной обделкой (рис. 442).
Перемычки и пилоны этой станции выполнены из монолитного бетона и железобетона. В пределах всей длины проемной части станции обделки боковых тоннелей с одной стороны, а среднего тоннеля с двух сторон разомкнуты по дуге, соответствующей центральному углу ~60°.
Разомкнутые обделки при помощи фасонных блоков опираются вверху и внизу на неразрезанные железобетонные балки, расположенные под углом 422
Рис. 440. План и продольный разрез трехсводчатой станции пилонного типа
Рис. 441. Обделка станционного тоннеля £>н=8,5м нз железобетонных блоков:
а — для Ленинградского метрополитена; б — для Киевского метрополитена
~45° и забетонированные внутри тоннелей после сборки обделок последних. При помощи арматуры эти балки связаны с фасонными блоками обделок и составляют с ними одно целое.
Фасонные блоки опираются на балки кольцевыми бортами, срезанными при изготовлении блоков примерно на половину длины. Другой особенностью фасонных блоков является утолщенная на 5 см спинка в пределах той половины блока, на которой отсутствуют ребра и к которой примыкает железобетонная балка. Утолщение спинки предусмотрено с целью некоторой компенсации поперечного сечения блока без ребер.
Проемы в обделках образуются после разборки блоков временного заполнения между пилонами.
Описываемое конструктивное решение может быть усовершенствовано, если продольные балки опереть на специальные опорные блоки, входящие в состав пилонных колец обделки (это позволит отказаться от пилонов из монолитного бетона), и заменить неразрезные балки из монолитного железобетона однопролетными балками-перемычками заводского изготовления. Последние могут быть введены в работу путем тщательного заполнения фибробетоном зазоров между балками-перемычками и блоками опирающихся на них разомкнутых колец (сверху) и опорными блоками пилонов (снизу).
Возможно также применение сборных клинчатых перемычек из железобетона или стандартных чугунных тюбингов. В последнем случае создается комбинированная обделка станции, вполне отвечающая возникающим в ней усилиям, так как в местах концентрации наибольших и сосредоточенных усилий употребляется материал, обладающий большей прочностью. Расход чугуна на рамы проемов невелик, а статическая работа станционной обделки надежна.
При другом конструктивном решении пилоны и проходы станции сооружают в первую очередь (рис. 443). Обделки проходов и пилоны продольного ряда в этом случае представляют собой единую конструкцию из монолитного бетона в виде аркады, расположенной вдоль станции в пределах ее проемной части. Их сооружают горным способом в штольнях.
Сборку обделок станционных тоннелей в пределах проемной части ведут после сооружения пилонов и проходов, при этом разомкнутые обделки боковых тоннелей и верхний и нижний своды среднего тоннеля опираются на готовые бетонные конструкции.
Такое конструктивное решение дает возможность отказаться от изготовления фасонных железобетонных блоков для рам проемов и, кроме того, представляет преимущества также в отношении архитектурного оформления станции.
Несущие аркады, выполняемые из монолитного бетона, позволяют придать любое очертание проемам и любую форму пилонам, размеры которых в этом
Рис. 442. Поперечное сечение трехсводчатой станции Киевского метрополитена с обделкой их железобетонных блоков и монолитного железобетона
443. Конструкция ~<>еиов и пилонов “ехсводчатой стан-с обделкой из • елезобетонных бло-t?5 н монолитного бетона
варианте могут быть значительно сокращены по сравнению с вариантами конструктивных решений станций, рассмотренными выше.
Существенный недостаток описываемого конструктивного решения пилон-ной станции заключается в необходимости предварительного сооружения опорных конструкций горным способом.
Учитывая трудности, связанные с применением горного способа работ даже в небольшом объеме, а также неизбежность последующего сооружения станционных тоннелей в уже нарушенных породах, такое конструктивное решение может быть рекомендовано только для сравнительно благоприятных геологических условий, не требующих применения щитовой проходки.
§ 122. ТРЕХСВОДЧАТЫЕ СТАНЦИИ КОЛОННОГО ТИПА
Станции с обделками из чугунных тюбингов. Конструкция станции колонного типа состоит из двух тоннелей с разомкнутыми обделками, двух продольных металлических аркад, расположенных внутри тоннелей, и опирающегося на них среднего свода кругового очертания, пролет которого зависит от требующейся по расчету ширины платформы.
Чугунные тюбинги, составляющие разомкнутые обделки тоннелей, являются стандартными элементами обделок станционных тоннелей Dn = 9,5 м-за исключением двух фасонных тюбингов, предназначенных для создания верх них опорных узлов (рис. 444).
Один из этих тюбингов (рис. 445) — боковой верхний БЕ — входит в состав разомкнутых обделок боковых тоннелей и образует опорные площадки для передачи давления от станционных обделок на внутренние металлические аркады.
Рис. 444. Поперечное сеченне трехсводчатой станции колонного типа с обделкой из чугунных тюбингов
Другой фасонный тюбинг — центральный опорный Цо (рис. 446) — служит опорным для среднего свода, опирающегося на тюбинги Бв боковых тоннелей станции. Для того чтобы препятствовать возможному смещению тюбинга До в сторону боковых тоннелей, спинка тюбинга Бв имеет небольшую упорную площадку, расположенную перпендикулярно основной опорной площадке тюбинга До.
Для опирания тюбинга Бв на металлическую конструкцию служит горизонтальная площадка, соединенная со спинкой и бортами при помощи продольного и поперечного ребер, пересекающихся под углом 90° и образующих крест. Отверстия в этой опорной площадке имеют овальную форму, так как при сборке колец боковых тоннелей тюбинги Бв могут получить некоторые смещения. Размеры овальных отверстий допускают смещения тюбингов до 15 мм.
Конструкция тюбинга Бв удобна тем, что все швы, соединяющие ее с соседними тюбингами, остаются доступными для осмотра* после установки металлических конструкций и могут быть в случае необходимости дополнительно расчеканены после деформации обделки.
Обделка среднего свода может состоять из стандартных элементов обделки станционного тоннеля DH = 9,50 м или из специально запроектированных тюбингов большего диаметра, как, например, на станции Комсомольская Московского метрополитена.
Несущая металлическая конструкция состоит из верхнего прогона, колонн и опорных башмаков или плит (рис. 447). Двухконсольные элементы верхнего прогона соединены в середине пролетов при помощи накладок и черных болтов. Их поперечное сечение — двутавровое с одной или двумя стенками сварной или клепаной конструкции.
В соответствии с конструкцией верхних прогонов колонны, составленные из листов и уголков, могут быть клепаные или сварные, одностенчатого или двухстенчатого поперечного сечения. Конструкции опорных частей металлических колонн осуществляют двух типов: в виде сварных башмаков или в виде опорных плит (см. рис. 447). Расстояния между колоннами вдоль станции кратны ширине тюбингов и принимаются в пределах 4,0—5,0 м.
Уменьшение эксцентриситета в приложении нагрузки на несущую металлическую конструкцию достигают сокращением размеров опорной площадки фасонных тюбингов Бв и сокращением размеров площадки из фибро-бетона, заполняющего пространство между верхом металлической конструкции и опорными площадками тюбингов Бв или устройством шарнира.
75«
Рис. 445. Конструкция тюбинга Б,
Рис. 446. Конструкция тюбинга Ц<>
A-Я
Так как опорные части несущей металлической конструкции (башмаки или плиты) опираются не на тюбинги обделки, а на бетонный ростверк, вертикальное положение колонн и опирающихся на них прогонов не зависит от фактического положения передающих нагрузку фасонных тюбингов Бв.
Разомкнутые обделки в нижней части боковых тоннелей замыкаются плоской железобетонной плитой, которая при наличии воды в окружающих станционную обделку породах воспринимает гидростатическое давление снизу.
В качестве конструкций, воспринимающих равнодействующие распоров разомкнутых обделок боковых тоннелей и среднего свода, применялись железобетонные плиты или своды, а также металлические прямолинейные или криволинейные балки.
Применение плоских плит и прямолинейных балок в среднем зале значительно снижает высоту станции.
Сооружение сплошного железобетонного свода на всю длину среднего зала станции является трудоемкой операцией и не избавляет от необходимости ставить временные прямолинейные металлические распорки непосредственно после сборки чугунных тюбингов среднего свода.
Основным недостатком криволинейных распорок, примененных на двух станциях Ленинградского метрополитена, является недостаточная их жесткость.
Наиболее простой и надежной конструкцией в случаях, когда равнодействующая распоров направлена к оси станции, могли бы явиться стяжки в боковых тоннелях на уровне расположения тюбингов Бв.
Равнодействующие распоров, направленные в сторону боковых тоннелей, могут быть восприняты обделками последних и окружающей их породой.
Планировочные решения трехсводчатых станций колонного типа отличаются расположением эскалаторных тоннелей между перегонными тоннелями в торцах станций и отсутствием служебных помещений под платформой среднего зала (рис. 448).
Кабины дежурного по станции (ДСП-1 и ДСП-2) и дикторскую размещают в торцах боковых участков платформ, так же как и на станциях пилонного типа.
Служебные помещения при отсутствии второго эскалаторного тоннеля размещают в глухом торце среднего зала станции. При двух эскалаторных тоннелях они могут быть расположены в отдельной выработке на уровне переходного мостика над путями, связанной с платформой удобной лестницей в торце станции.
Опыт эксплуатации станций колонного типа показал их достоинства в отношении условий эксплуатации и архитектурного оформления. Последова-
Рис. 447. Несущая металлическая конструкция:
1 — тюбинг />в; 2 — фибробетон; 3 — башмак; 4 — плита
монтаж-'*' j/ая капера
sacczococ
Ось станции._
гсссосоао
15800
Ось левого тоннеля
D □ С ’□□□□OOOQODOqiQ _ §| _ _______
□ са^аооаоаоаосоао
-' - ~ilnn~7i
Ось upп 0ого шипиеля
Рис. 448. План трехсводчатой станции колонного типа
тельное усовершенствование их конструктивного решения привело к значительному сокращению расходуемых материалов, а также к достаточно совершенной организации работ по их сооружению.
Несколько особое положение занимает конструкция одной из станций глубокого заложения Ленинградского метрополитена (станция с цельночугунной обделкой), принцип конструктивного решения которой отличается как от пиленных, так и от колонных станций, рассмотренных выше. В этом конструктивном решении использованы также станционные тоннели наружного диаметра 9,5 м с чугунной обделкой, но взаимное расположение их таково, что обделки трех тоннелей, находящихся в одном уровне, пересекаются между собой (рис. 449).
Для образования проемов в обделку станционных тоннелей (в боковых тоннелях с одной стороны и в среднем тоннеле с двух сторон) вставлены фасонные тюбинги, образующие верхние и нижние перемычки, опирающиеся на вертикальные чугунные колонны. Перемычки состоят из фасонных тюбингов девяти типов (рис. 450).
Колонна,^поддерживающая опору каждой из перемычек, является ветвью объединенной' колонны и состоит по высоте из двух чугунных тюбингов марки П1.
Верхние и нижние перемычки в каждом станционном тоннеле устанавливают одна к другой, перемычки же соседних тоннелей соприкасаются друг с другом, поэтому конструкция объединенной колонны состоит из четырех ветвей и в ее состав входит 8 тюбингов марки П1.
То обстоятельство, что конструктивное решение рассматриваемой станции предусматривает соединение тюбингов трех станционных тоннелей при помощи болтов, предъявляет к сборке обделки чрезвычайно высокие требования точности. Эта точность должна обеспечивать совпадение болтовых отверстий вдоль и поперек станции и в пределах каждого кольца.
Достоинствами этой конструкции можно считать благоприятные условия эксплуатации вследствие большой ширины платформы и хорошей видимости всех ее участков и полную водонепроницаемость обделки.
Высокие требования точности, предъявляемые к монтажу тюбинговой обделки, большое число типов тюбингов, неравномерное распределение усилий, воспринимаемых отдельными ветвями составных колонн, а также невозможность сокращения длины среднего зала — основные недостатки конструктивного решения приведенной трехсводчатой станции с цельночугунной обделкой.
Другое аналогичное, но более совершенное конструктивное решение трехсводчатой станции колонного типа, применено на Московском метрополитене (рис. 451). Здесь для обделок боковых и среднего тоннелей использованы типовые чугунные тюбинги колец £»„ = 8,5 и Dn = 9,5 м, а также стандартные перемычки рам проемов станции пилонного типа с обделкой из колец D,, = 8,5 м (АК-1, АК-2, АК-3).
В зависимости от интенсивности пассажиропотока станции ее средний зал может иметь различную ширину (8,23 м и 6,98 м), определяемую применением для верхнего свода среднего зала тюбингов колец D„ = 9,5 м или D„ = 8,5 м.
Рис. 449. Поперечное сечение трехсводчатой цельночугунной станции колонного типа
Рис. 450. Конструкция перемычек и колонн
Рис. 451. Поперечное сечение трехсводчатой станции колонного типа Московского метрополитена с обделкой из чугунных тюбингов
Рис. 452. Конструкция перемычек и колонн
Нижний свод среднего зала в обоих случаях собирают из тюбингов Du = = 8,5 м, но в одном случае с чугунными прокладками сплошного сечения, а другом — без них.
Плоский лоток во всех тоннелях станции создают путем замены чугунных тюбингов железобетонными блоками сплошного сечения, гидроизолированными металлическими листами (см. рис. 451).
Применение стандартных чугунных перемычек тоннеля Dn = 8,5 м дает
возможность получить продольный шаг колонн, равный 4 м. Для увеличения его до 5,25 м стандартную перемычку несколько изменяют, а именно: при сохранении тюбингов АК-1 и АК-2 взамен двух тюбингов АК-3 вставляют три новых тюбинга АКП-3 (левый и правый) и замковый АКП-4 (рис. 452). Колонны этой станции (см. рис. 452) — сварные из стальных листов 6 = 40 мм. Их размеры и сечение зависят от ширины среднего зала и действующих нагрузок. Гидроизоляция станции над проемами обеспечивается металлическими листами 6 = = 16 мм, заанкеренными в бетон.
Рассмотренное конструктивное решение обладает всеми достоинствами колонных станций в эксплуатационном и архитектурном отношениях. Кроме того, при необходимости сокращения длины уширенного среднего зала глухие участки станции будут иметь боковые платформы шириной ~3,2 м. Последнее обстоятельство значительно расширяет границы применимости станций такого типа.
Станции с обделкой из железобетонных блоков. Разновидностью станций колонного типа может служить трехсводчатая станция без боковых платформ (рис. 453). Несмотря на наличие на этой станции стен, она относится к станциям колонного типа, так как построена по принципу такого взаимного расположения трех составляющих станцию тоннелей, при котором их обделки пересекаются между собой и в местах пересечения опираются на внутренние несущие конструкции.
Обделка среднего тоннеля рассматриваемой станции состоит из верхнего
и нижнего сводов, очерченных различными радиусами и собираемых из железобетонных блоков ребристого (верхний свод) и сплошного (нижний свод) сечений.
Обделки боковых тоннелей наружным диаметром 5,5 м из железобетонных блоков ребристого сечения со стороны среднего зала разомкнуты и опираются на продольные стенки, собираемые из чугунных фасонных тюбингов. На эти же стенки опираются своды среднего зала.
Рис. 453. Поперечное сечение станции без боковых пассажирских платформ с обделкой из железобетонных блоков
В стенках имеются проемы, число и расположение которых совпадают с числом и расположением дверей в вагонах поездов метрополитена. Ширина колец железобетонных блоков и ширина чугунных элементов продольных стенок кратна расстояниям между дверями одного и смежных вагонов.
Для образования проемов в чугунные стенки, несущие основные нагрузки от горного давления породы, вставляют рамы, состоящие из верхних и нижних перемычек и стоек между ними (рис. 454).
В каждом проходе устраивают раздвижные двери, изолирующие средний станционный тоннель от боковых перегонных тоннелей и открывающиеся только на время стоянки поездов для посадки и высадки пассажиров. Раздвижные двери на роликах перемещаются по консолям платформ и располагаются за простенками со стороны перегонных тоннелей.
Станция этого типа отличается значительным уменьшением объемов работ по сравнению с другими трехсводчатыми станциями.
Для точной остановки поездов на этой станции и на стоянку поездов, связанную с необходимостью открывать и закрывать раздвижные двери в проходах, необходимо дополнительное время, что ограничивает пропускную способность как станции, так и линии метрополитена в целом.
К основным недостаткам станции этого типа относятся: снижение пропускной способности метрополитена на 1—2 пары поездов в час, нестандартная ширина колец обделки, подчиненная такому относительно случайному обстоятельству, как расположение дверей в вагонах поездов метрополитена, что не позволяет применять на линии вагоны новой конструкции; форма фасонных опорных тюбингов, при которой они значительно выступают за пределы кругового очертания перегонных тоннелей; разнотипность блоков верхнего и нижнего сводов среднего зала.
Планировочное решение этой станции отличается расположением дверей в ее продольных стенках, а также отсутствием боковых посадочных платформ и, следовательно, места для размещения кабин ДСП и дикторской на уровне этих платформ. Большое число служебных помещений этой станции размещают под платформой. Связь их с уровнем платформы осуществляется при помощи лестницы. Станции этого типа больше не применяются.
Кольца D„ = 8,50 м обделки боковых и среднего тоннелей колонной трехсводчатой станции Киевского метрополитена собирают из железобетонных блоков ребристого сечения (см. рис. 441); через опорные блоки СК-4 обделка опирается на железобетонные сборные перемычки прямоугольного очертания (рис. 455). Железобетонные колонны, состоящие из двух ветвей, поддерживают перемычки через массивные блоки СП-3 (рис. 456). Стыки отдельных пере-
Рис. 455. Поперечное сечение трехсводчатой станции Киевского метрополитена с обделкой из железобетонных блоков
ск-
Рис. 456. Конструкция перемычек и колонн
/47g
„____________________________1890 J
Рнс. 457. Поперечное сечение трехсводчатой станции колонного типа с обделкой сводов из железобетонных блоков
Рис. 458. Поперечное сечение трехсводчатой станции колонного типа с обделкой сводов из монолитного бетона
мычек в центре пролетов осуществляют сваркой арматуры и забивкой зазоров жесткой бетонной смесью марки М-500 на расширяющемся цементе. Опирание ребер блоков СК-4 на перемычки сверху и снизу происходит через металлические клинья с последующим омоноличиванием.
Применение железобетонных блоков сплошного или ребристого сечения для обделок станций колонного типа не исчерпывается только рассмотренными выше примерами. При благоприятных условиях заложения линий метрополитена вполне возможно применение других конструктивных решений станций колонного типа с обделкой из железобетонных блоков.
В необводненных прочных породах конструкция такой станции может состоять из трех сводов, опирающихся на породу и внутренние несущие аркады из стали или железобетона (рис. 457).
Обделка колонных станций может состоять также из разомкнутых колец боковых тоннелей (с расположенными внутри этих колец конструкциями) и опирающегося на них среднего свода аналогично таким же станциям с обделками из чугунных тюбингов (см. рис. 444).
Станции с обделкой из монолитного бетона. Применение монолитного бетона в качестве материала для обделки трехсводчатых станций колонного типа может быть допущено при заложении станций в сухих породах скального типа.
Сооружение станций в этом случае ведут горным способом с применением в качестве временной крепи металлических арок или анкеров, которые могут быть использованы для подвески к ним инвентарной опалубки при бетонировании сводов.
Основным условием применения обделки из монолитного бетона для трехсводчатых станций является наличие таких геологических условий, при которых все поперечное сечение трехсводчатой станции можно разбить максимум на три объема с разработкой каждого из них на полное сечение сплошным забоем или ступенчатым забоем с незначительным опережением калотты.
Одно из возможных конструктивных решений трехсводчатой станции колонного типа, заложенной в сухих и крепких породах, состоит из трех сводов, опирающихся на породу и продольные аркады (рис. 458). Для сводов из монолитного бетона могут быть подобраны такие соотношения пролетов и стрелок, при которых их распоры будут уравновешены и отпадет необходимость в устройстве распорных конструкций.
Колонны внутренних железобетонных аркад могут опираться на породу через отдельные башмаки без устройства лотковой плиты, которая может быть заменена стяжкой по породе из бетона низких марок.
Планировочные решения рассмотренных выше станций колонного типа аналогичны, показанному на рнс. 448.
§ 123. ВНУТРЕННИЕ КОНСТРУКЦИИ СТАНЦИЙ
Пассажирская платформа. Пассажирскую платформу станции монтируют из корытообразных блоков (рис. 459), ширину которых обычно принимают равной 0,5 и 0,75 м, но она может быть увеличена до 1 м и более. При длине блоков до 4 м высота ребер равна 15 см при минимальной их толщине 5 см, толщина плиты равна 4 см. В случае увеличения длины блоков соответственно изменяются размеры их поперечного сечения.
Для опирания блоков платформы используют стены подплатформенных служебных помещений и каналов, железобетонные балки, консоли стен или колонн в зависимости от конструктивного решения станции.
Блоки 2 обычно укладывают перпендикулярно продольной оси станции, за исключением мест проходов трехсводчатых станций пилонного типа, где блоки 5 платформы укладывают вдоль продольной оси станции. По углам пилонов сооружают столбики 4 из монолитного бетона, на которые укладывают железобетонные балки 3, являющиеся опорами для блоков платформы (см. рис. 459).
Такую же систему укладки блоков платформы и их опирания применяют для станций колонного типа.
Швы между блоками платформы заливают цементно-песчаным раствором и на них укладывают гидроизолирующий слой. В пределах боковых тоннелей обе платформы покрывают слоем асфальта толщиной 2 см с уклоном i = 0,01 от края платформы к пилонам или колоннам. Пол среднего зала, полы в проходах и вокруг пилонов или колонн делают из шлифованных гранитных плит, укладываемых на цементно-песчаном слое с уклоном от середины к пилонам или колоннам. Толщина этого пола составляет 7—10 см.
Путевые и подплатформенные стены. Путевые стены (см. рис. 459) сооружают из стандартных железобетонных блоков 1 с двумя или тремя продольными отверстиями диаметром 12,5 см. Отверстия уменьшают вес блока. Кроме того, их используют для прокладки транзитных кабелей. Блоки имеют длину 3 м и для более точного совпадения отверстий соединяются между собой по длине при помощи паза и выступа.
Расположение и число блоков, укладываемых в путевые стены, зависят от конструкции станции и ее архитектурного оформления, определяющего высоту путевых стен.
Блоки изготовляют из бетона марки 200 и армируют сварными каркасами из арматурной стали 04 и 6 мм. Блоки укладывают один на другой на цементнопесчаном растворе и опирают на бетонные опоры, расположенные через 3 м (в соответствии с длиной блоков) и конструктивно связанные с обделкой станции. Первый ряд блоков укладывают на бетонные опоры цоколя.
Рис. 459. Внутренние конструкции трехсводчатой станции пилонного типа
4 6 з
для зонта:
крюком; <?—ас-4 — тюльпанная
.... . нарезка на конце подвески; 7 — асбобитумные шайбы; 8 — установочная шайба
5 6 4 3
Рис. 460. Подвеска / — клин; 2— подвеска с бсстоцементпый вкладыш; шайба; 5 —гайка; 6
Стену в пролетах между опорами прикрепляют к обделке станции при помощи полосовой или арматурной стали, закладываемой в швы между блоками, что придает стене устойчивость.
В путевой стене для осмотра кабелей устраивают два шкафа шириной 1,5 м и высотой 2 м, расположенных примерно через 50 м один от другого и закрываемых металлическими дверцами.
Подплатформенные стены станции служат для опирания на них блоков платформы и ограждения служебных помещений и каналов. Подобно путевым стенам, их собирают из пустотелых блоков 6 (см. рис. 459).
Водозащитные зонты применяют на глубоко заложенных станциях для отвода воды, проникающей в тоннели через швы
или болтовые соединения сборных элементов станционной обделки; одновременно зонты служат для архитектурного оформления внутренней поверхности станций.
Величину внутреннего радиуса зонта принимают с таким расчетом, чтобы менаду зонтом и обделкой станции был обеспечен зазор, необходимый для размещения коробок и труб осветительной сети и для стока воды. На станциях метрополитенов Советского Союза радиус внутренней поверхности зонта принимают на 20 см меньше внутреннего радиуса обделки.
Станционные водозащитные зонты выполняют из асбестоцементных листов толщиной 10—12 мм, водонепроницаемость которых обеспечивается покрытием их наружной поверхности горячей битумной мастикой или перхлорвиниловой эмалью.
Асбестоцементный зонт состоит из секций, ширина которых равна ширине двух тюбингов чугунной или двух блоков железобетонной обделки; секции размещают по длине станционных тоннелей.
Каждую секцию зонта собирают из отдельных панелей или картин трех типов (см. рис. 459); ключевая (СК), правая (С правая) и левая (С левая).
Стыки картин осуществляют внахлестку, для чего они по трем краям имеют высадки на одну, две и три толщины картины.
Конструкция водозащитного зонта является подвесной и самостоятельной устойчивостью не обладает.
Картины зонта крепят к станционной обделке при помощи специальных металлических подвесок, которые в то же время соединяют асбестоцемент-
- — ТЛ , F Л ГТ'. т Т , , V ТГАТТГТ,,.
ные картины между собой (рис. 460).
Основным недостатком асбестоцементных зонтов является практическая необходимость оштукатуривать их внутреннюю поверхность.
На станциях Ленинградского метрополитена широкое применение получили так называемые армо-цементные зонты (рис. 461), состоящие из двух полуарок, представляющих собой оболочку двоякой кри-
4-4
станционного зонта
Рис. 461. Полуарка армоцементного 436
70.7,5
Стык полуарок зонта.
г-зны. Арки опираются на железобетонные или металлические консоли или :а.-.хи (над проемами) и являются независимыми от обделки несущими конст-т. кциями.
Наружную поверхность арок покрывают битумной пленкой, а внутреннюю :_‘сте затирки и заделки швов красят.
Основным недостатком армоцементных зонтов является их волнообразная з продольном направлении) поверхность, которая не может быть присуща лю-хму архитектурному оформлению станции в той же мере, как гладкая.
Новая конструкция зонта, примененная на станциях Московского метро-тслитена, представляет собой складчатую ромбическую оболочку из стеклопласта, обладающую достаточной жесткостью.
Зонт состоит из картин, образующих секции. Его крепят шпильками л. продольной стальной полосе, в свою очередь прикрепленной к тюбингам или олокам обделки. После сборки зонта и шпаклевки стыков его внутреннюю -озерхность покрывают слоем белой эмали. Такой зонт может быть изготовлен £ из других листовых и рулонных материалов, не подверженных коррозии дюралюминий, винипласт и др.).
Он обладает многими достоинствами, но имеет один недостаток — заранее веданную декоративную поверхность свода, что может помешать ему стать универсальной конструкцией.
В пределах проемной части станций пилонного типа картины зонтов боковых и среднего тоннелей соединяют с картинами зонтов пилонов и проемов и образуют единую водозащитную систему (см. рис. 459).
Вода, стекающая с зонта, отводится по асбестоцементным желобам, которые подвешивают к станционной обделке. Желоба со стороны путевых стен обычно располагают над карнизами. Из желобов вода через воронки попадает з трубки, расположенные в шкафах в путевой стене и в торцах станции, а затем з дренажную систему станции.
Глава 30
СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ СТАНЦИЙ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
§ 124. ОСОБЕННОСТИ СТАТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ
Статическая работа несущей конструкции станции метрополитена зависит от ряда факторов, в числе которых главными являются глубина заложения, геологические условия, форма конструкции и способ постройки. Эти факторы тесно связаны между собой. Так, выбор конструктивной формы зависит от глубины заложения станции и геологических условий, а способ постройки зависит как от глубины заложения, так и от конструктивной формы.
Станции, сооружаемые открытым способом, обычно бывают расположены в слабых грунтах, таких, как пески, глины, супеси, суглинки. На перекрытие этих станций оказывает давление грунт, толщина которого над перекрытием редко превышает несколько метров. Кроме того, в случае мелкого заложения конструкции она работает также на нагрузки, находящиеся на поверхности земли. Это в первую очередь нагрузка от наземного транспорта. В некоторых случаях на станционную конструкцию может передаваться давление от наземных зданий и сооружений, расположенных вблизи, в виде дополнительного бокового давления грунта на стены станции.
Станции, заложенные на глубине нескольких десятков метров и сооружаемые закрытым способом, находятся обычно в более устойчивых породах. Нагрузки, находящиеся на поверхности, не оказывают влияния на их конструкцию. Главной нагрузкой здесь является горное давление.
Станции метрополитена глубокого заложения отличаются от других глубоко заложенных тоннельных конструкций значительно большей шириной. Поэтому величина нагрузки от горного давления на станцию достигает значительных величин и, как правило, принимается, равной весу так называемого столба вышележащих пород. При таких нагрузках приобретает еще большее значение совместная работа конструкции станции и окружающей породы. В связи с тем что станции пилонного и колонного типов сооружают по частям, возникает необходимость анализа статической работы незавершенных конструкций и влияния одной части конструкции на другую.
§ 125. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК
Расчет конструкций станций метрополитена выполняют при различных сочетаниях нагрузок, которые, как и для других подземных сооружений, в зависимости от степени вероятности их возникновения подразделяются на основные, дополнительные и особые. И здесь наибольшее практическое значенш-имеют основные сочетания нагрузок.
В сложных геологических и гидрогеологических условиях расчетная величина горного давления может быть установлена при помощи натурных измерений в разведочных выработках, а также современными методами моделирования подземных сооружений и окружающего горного массива.
Расчет конструкций станций по несущей способности выполняют на действие расчетных нагрузок, а по раскрытию трещин и деформациям — на действие нормативных нагрузок в соответствии с указаниями СНиП.
Для конструкций, сооружаемых открытым способом, нагрузки постоянные и временные, а также коэффициенты перегрузок к ним определяют в соответствии с указаниями СНиП П-Д. 7-62 и СНиП П-Д. 3-68..
К постоянным нагрузкам относятся вертикальное давление грунта q. горизонтальное давление р, собственный вес конструкции и гидростатическое давление. Методика их определения рассмотрена выше (см. главу 9, § 34).
Рис. 462. Схема определений вертикального давления от железнодорожной нагрузки
Нормативную нагрузку от собственного веса конструкции определяют по проектным объемам элементов конструкции и объемным весам материалов. Наибольшее значение имеет учет веса перекрытия.
Нормативную нагрузку от гидростатического давления учитывают в невыгодном сочетании, а давление грунта в этом случае определяют с учетом его взвешенности в воде.
Как известно, расчетные величины постоянных нагрузок получают как произведение нормативных нагрузок на соответствующие коэффициенты перегрузок.
К временным силовым воздействиям на конструкции станций, сооружаемых открытым способом, относится дополнительное давление грунта, возникающее от нагрузок, находящихся на поверхности над станцией и в пределах призмы обрушения. Нагрузки могут быть железнодорожные, колесные или автомобильные. Указания по их определению, а также коэффициенты перегрузки и коэффициенты динамичности содержатся в СНиП Н-Д. 7-62. От нагрузки на поверхности возникает дополнительное вертикальное и горизонтальное давление грунта.
Вертикальное давление от железнодорожной нагрузки распределяется в грунте под углом 26,5° к вертикали от концов шпал (рис. 462).
Нормативная величина вертикального давления грунта от железнодорожной нагрузки типа СК может быть определена по формулам:
при одном пути
при двух путях
.. 2К-Н2К
где К — класс нагрузки;
п — коэффициент, a, b, I — составляющие
Значения Кип даны в СНиП П-Д. 7-62.
Вертикальное давление грунта от колесной нагрузки НК-80 и автомобильной Н-30 определяют по схемам, приведенным на рис. 463. Величину нормативного вертикального равномерно распределенного давления определяют по следующим формулам:
от нагрузки НК-80
(257)
(258)
зависящий от числа загружаемых путей; ширины зоны загружения (см. рис. 462).
ИЯ- 80
Г
' г
конструкции
Верх, конструкции.
Я
Р /осах Рнс- 463- Схема определения вертикального давления:
<7Н = Т7Г > (259) а —от колесной нагрузки НК-80; б —от автомобильной нагрузке кн Н-30
где Р — вес машины (Р = 80 Т);
А = а + 2 с + 2 (Н — с) tg 30°
В = Ь + 2с + 2 (И — с) tg 30°; а = 3,8 м; b = 3,5 м;
от нагрузки Н-30:
<7?
_ Pi AiB ’
= 2Р°
АгВ ’
(260)
(261)
где Рг — давление на переднюю ось машины (Рг = 6 тс);
Р2 — давление на заднюю ось (Р2 = 12 тс);
А = аг + 2 с + 2 (Н — с) tg 30°;
А 2 = я2 Ч- 2с 2 (Н — с) tg 30 ;
= 0,2 м; а2 = 1,8 м;
В = 3 м.
Если линии, по которым принято распределение давления в грунте (рис. 463, б), пересекаются, то нормативная величина давления грунта от нагрузки Н-30 может быть определена по формуле
ан: . pi + 2Ps
Чз АВ
(262.
Для расчета принимают наибольшую величину давления из полученных по Зюрмулам (259) — (262).
Выбирают такое расположение нагрузки над сооружением, которое соответствует невыгодным условиям работы ее элементов.
Дополнительное горизонтальное давление от подвижной нагрузки на поверхности определяют по схеме, приведенной на рис. 464. Оно распределяется по высоте стены на участке h
h b, tg (45° + <рг). (263.
В зависимости от глубины заложения станции дополнительное давление грунта от подвижной нагрузки на поверхности, как вертикальное, так и горизонтальное, может быть сплошным (при значительной глубине) или прерывистым (при малой глубине).
Для конструкций, сооружаемых закрытым способом, постоянные и временные нагрузки и коэффициент перегрузок к пи--определяют в соответствии с указаниями СНиП П-Д. 3-68.
К числу постоянных силовых воздействий относятся нагрузка от давления горных пород, гидростатическое давление и собственный вес конструкции Нагрузка от горного давления является главным внешним силовым факторох:
В большинстве случаев станции глубокого заложения расположены н-настолько глубоко в коренных породах, чтобы можно было ожидать образс-
Рпс. 464. Схема определения горизонтального давления от подвижной нагрузки 440
Рис. 465. Схема нагрузок па конструкцию станции :* горного давления
вания естественного разгружающего свода. Например, не удовлетворяется условие применимости гипотезы проф. Протодьяконова Н 2h (высотаслоя устойчивых пород не менее чем в два раза должна превышать высоту вывала) или над выработкой залегают слабые породы. Поэтому конструкцию станции приходится рассчитывать на давление от веса всех пород, залегающих над ней,
т. е. горное давление при-
нимают пропорциональным Рис. 466. Расчетная схема разгружающего свода величине заглубления конструкции (рис. 465).
В практике могут встретиться случаи, когда заглубление станции в устойчивые коренные породы достаточно для образования естественного разгружающего свода высотой /гР Тогда естественный свод должен быть рассчитан по состоянию предельного равновесия; при этом необходимы натурные исследования устойчивости породы в разведочных выработках.
Свод (рис. 466) нагружен давлением вышележащих слабых пород q и собственным весом g. Сделаны следующие допущения: в замке свода и его пятах внутренние силы находятся на границах ядер сечения; эпюра напряжений в замковом сечении — треугольная. Расчет выполняется на 1 пог. м по длине выработки.
Величина распора в своде
_ (4 +g) L-8Л3
(264)
где q — нагрузка на свод от давления вышележащих слабых пород;
g — нагрузка от собственного веса свода;
L — расчетный пролет свода;
Л3 — расчетная высота свода.
Напряжения в верхнем волокне замкового сечения
2Я /осг\
а = —. (265)
где Л2 — толщина разгружающего свода в замковом сечении.
Для обеспечения запаса прочности свода необходимо выполнение условия о = (266)
где R — расчетное сопротивление породы сжатию;
k — коэффициент, больший единицы, обеспечивающий запас прочности свода.
Если натурные исследования и расчет свода убеждают в достаточной его прочности, вертикальное нормативное давление на конструкцию станции определяют так же, как при сводообразовании.
Если станция располагается в крепких породах и над нею образуется естественный разгружающий свод, то боковое давление на конструкцию отсутствует. Как и при расчете большинства других тоннельных конструкций, необходимо иметь в виду, что боковое давление улучшает условия их работы.
Поэтому неучет бокового давления увеличивает запас прочности конструкции и при малых его значениях вполне допустим.
Нагрузка от гидростатического давления на конструкцию отнесена к числу постоянных, хотя величина ее в различные периоды существования станции изменяется от нулевых до максимальных значений. Так, в период постройки, когда герметизация обделки ие выполнена или не закончена, гидростатическое давление на конструкцию практически отсутствует.
После полной герметизации станционной обделки гидростатическое давление достигает максимальных значений. Поэтому при расположении станции в водоносных породах конструкцию необходимо рассчитывать как на максимальное гидростатическое давление, так и на минимальное. Второй случай практически означает отсутствие давления воды.
Для обделок кругового очертания нагрузка от гидростатического давления близка к рациональной: в обделке возникают сжимающие силы, которые уменьшают внецентренность работы сечений конструкции, вызванную нагрузкой от горного давления. Следовательно, до определенных пределов нагрузка от гидростатического давления улучшает работу круговых станционных обделок; менее выгодным будет случай отсутствия гидростатического давления.
Однако в конструкции станции есть элементы, работа которых подобна работе плоских плит, например спинки тюбингов или плита плоского лотка. Под действием гидростатического давления в этих элементах будут возникать изгибающие моменты, и невыгодным для их работы будет случай максимального гидростатического давления.
При расчете на гидростатическое давление горное давление определяют с учетом взвешенности породы в воде.
Собственный вес обделки в сравнении с нагрузкой на станцию от горного давления составляет обычно небольшую величину. Если его значение не превышает 5% нагрузки горного давления, то собственный вес обделки в расчете учитывать не следует. Однако в так называемой монтажной стадии, когда еще не обеспечена совместность работы породы и обделки, нагрузка от собственного веса и веса оборудования может вызвать существенные внутренние усилия и деформации. Усилия, полученные при расчете по монтажной стадии, необходимо суммировать с усилиями из расчета обделки по эксплуатационной стадии, как рекомендовано в главе 19.
Нагрузку от веса подвижного состава не учитывают при расчете конструкций станций глубокого заложения, так как эта нагрузка невелика и благодаря заполнению бетоном лотковой части распределяется по значительной поверхности нижнего участка обделки и подстилающей породы.
§ 126. ВЫБОР РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ
Выбор расчетной схемы конструкции — первый и важнейший этап расчета. При назначении расчетной схемы приходится делать допущения, позволяющие применить для расчета известные методы строительной механики. Принятые допущения должны обеспечивать запас прочности.
Станционное сооружение представляет собой конструкцию, длина которой значительно превышает ширину, поэтому по аналогии с расчетом горных тоннелей и перегонных тоннелей метрополитена здесь также выделяют для расчета плоскую систему размером по длине станции, равным 1 пог. м. Такой подход упрощает расчетную схему, но является менее обоснованным, чем для других тоннельных сооружений, так как конструкция станции по ее длине изменяется и, за исключением однопролетных и односводчатых решений, представляет собой чередование проходов и опор перекрытия. В этом случае необходимо, чтобы выделенный, для расчета плоский элемент конструкции имел длину, равную размеру типовой секции — повторяющегося по длине станции звена.
Дальнейшее развитие расчетов конструкций станций метрополитена позволит перейти от плоской расчетной схемы к пространственной, в которой,учи-442
Рис. 467. Невыгодные расчетные схемы конструкции станции:
а — сооружаемой открытым способом; б — пиленного типа; в — колонного типа
тывается работа элементов типовой секции как в поперечном, так и в продольном направлении.
При выборе расчетной схемы необходимо проанализировать работу конструкции и отдельных ее элементов не только в эксплуатационной стадии, но и в течение всего процесса ее сооружения, так как при постройке отдельные элементы конструкции могут работать в более невыгодны?: условиях, чем при эксплуатации сооружения.
Рассмотрим некоторые невыгодные схемы статической работы станции периода строительства (рис. 467).
На расчетной схеме станции, сооружаемой открытым способом (см. рис. 467, а), учтена односторонняя боковая засыпка, при которой в конструкции возникнут усилия, которые не могут появиться после завершения строительства. Для предотвращения опасных деформаций не
обходима постановка диагональных связей, отмеченных штриховыми линиями, и обеспечение жесткости в узлах.
Весьма невыгодной представляется схема работы бокового тоннеля пилон-ной станции при раскрытии выработки среднего тоннеля (см. рис. 467, б). В этом случае с одной стороны бокового тоннеля фактически снимается отпор породы, и в этой части обделка сопротивляется деформациям в сторону выработки среднего тоннеля только за счет своей жесткости, так как сопротивление оставшихся целиков практически не играет роли.
Еще более невыгодной может показаться схема работы бокового тоннеля при проходке среднего зала колонной станции, когда плоскость обнажения становится еще больше, никаких целиков не остается и при подведении лотковой части среднего тоннеля приходится обнажать опорную часть колонн (см. рис. 467, в).
Если такие схемы принять за расчетные, сооружения приобретут запасы прочности, совершенно излишние в эксплуатационной стадии.
Анализ работы конструкции в процессе строительства необходим для принятия мер предотвращения или уменьшения деформаций колец, находящихся в невыгодных условиях. К таким мерам относится постановка временных связей и раскрытие выработки короткими по длине станции участками так, чтобы благодаря совместности работа временно перегруженных колец облегчалась соседними кольцами, работающими в нормальных условиях.
В большинстве случаев за расчетную схему конструкции станции принимают ту, которая соответствует окончательной эксплуатационной стадии.
§ 127. РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ КОНСТРУКЦИЙ, СООРУЖАЕМЫХ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ 1
При выборе расчетной схемы должны быть учтены ее конструктивные особенности, характер сопряжения элементов, последовательность производства работ, а также взаимодействие обделки и грунта засыпки в период строительства и эксплуатации станции.
1 § 127 написан по материалам, разработанным канд. техн, наук И. И. Михельсоном.
Как показано в § 119 главы 29, сооружаемые в настоящее время открытым способом станции представляют собой конструкции, состоящие из отдельных элементов заводского изготовления.
Существенное влияние на работу обделки оказывают стыки элементов станции, которые в зависимости от характера этого влияния и конструктивного решения можно подразделить на три группы. К первой группе относятся стыки, воспринимающие расчетные усилия от нагрузок в период эксплуатации станции. Такими стыками, например, являются стык колонны с фундаментом и стык плит лотка, выполненный омоноличиванием выпусков ар
матуры.
Ко второй группе относятся стыки, осуществляемые сваркой закладных деталей и воспринимающие усилия лишь от нагрузок, возникающих при сборке станции. Стыки этой группы фиксируют положение элементов и обеспечивают неизменяемость конструкции станции в период монтажа. К этой группе относится стык стенового блока с плитой лотка и стык блока покрытия с прогоном.
Третью группу составляют стыки, не воспринимающие расчетных усилий. Это швы между блоками покрытия, швы между стеновыми блоками и др.
На рис. 468 показана расчетная схема конструкции трехпролетной станции при работе в стадии эксплуатации. Плиты покрытия шарнирно опираются на прогоны и стеновые блоки. Прогоны и колонны связаны также шарнирно. Узел сопряжения колонны и фундамента стаканного типа принимают жестким.
Смещение подошвы степы исключается в конструкции упором в лотке и с наружной стороны — грунтом засыпки, а в расчетной схеме — постановкой горизонтальной опоры.
Если узлы конструкции нельзя с полным основанием отнести к жестким или шарнирным, в расчетной схеме принимают то из названных соединений, которое обеспечивает запас прочности.
Станции открытого способа работ, конструкции которых рассмотрены в главе 29, можно сооружать в котлованах (рис. 469) с откосами или в котлованах с вертикальными стенами, поддерживаемыми временной крепью. В каждом из способов сооружения станции можно выделить две стадии работы ее конст-струкции — монтажную и эксплуатационную.
Монтажная стадия работы конструкции станции при сооружении ее в котловане с откосами характеризуется наличием грунта засыпки за стенами обделки, в то время как засыпка на перекрытии отсутствует. При сооружении станции в котловане с вертикальными стенами монтажная стадия соответствует периоду, когда произведено заполнение грунтом пазух между стенами станции и креплением котлована, расстрелы сняты, засыпка на перекрытии станции отсутствует.
В эксплуатационной стадии засыпка конструкции выполнена полностью и на поверхности происходит движение транспорта.
Рассмотренные способы производства работ не предотвращают возможности смещения грунта в сторону обделки в процессе сооружения станции, а следовательно, появления пре-
Нпзмижные пиликания Йрпменнпй ни.грузка
дельного напряженного состояния в грунте за стенами обделки.
Принимается, что в монтажной стадии, до того как произведена засыпка на перекрытии станции, на ее стены действует активное давление грунта. За начальную величину активного давления при сооружении станции в котловане с откосами можно
Рис. 468. Расчетная схема станции мелкого заложения
Рис. 469. Давление грунта при деформации степ в сторону засыпки при котловане с откосами (а) и с вертикальными степами (б):
/ — грунт засыпки; 2 — обделка тоннеля; 3 — расстрелы; 1 — временное крепление котлована
принимать давление от засыпки высотой /г0 (рис. 469, а). С увеличением высоты засыпки активное давление увеличивается.
При сооружении станции в котловане с вертикальными стенами предельное состояние возникает в грунте за стенами котлована. Активное давление грунта на обделку в этом случае характеризуется высотой грунта Н от низа котлована до поверхности земли (рис. 469, б). Грунт между обделкой и стеной котлована можно рассматривать как передающее звено и не учитывать при определении активного давления.
В стадии эксплуатации станции стеновые блоки рассчитывают при трех положениях временной нагрузки: 1) на перекрытии и призмах обрушения; 2) только на перекрытии; 3) только на призмах обрушения. Если временная нагрузка приложена в пределах одной призмы обрушения (несимметричное за-гружение конструкции станции), в расчете следует учитывать силы трения, возникающие между грунтом и перекрытием станции.
Лоток станции в зависимости от конструктивного решения может быть рассчитан как плита или балка, лежащая на упругом основании. Лотковая часть работает на усилия, которые передаются от колонн и стеновых блоков, а также на гидростатическое давление.
Для станции, расчетная схема которой приведена на рис. 468, блок перекрытия рассчитывают как однопролетную свободно лежащую балку, находящуюся под воздействием вертикальной нагрузки от засыпки, от транспорта на поверхности и продольных сжимающих сил, передающихся от горизонтального давления на стены.
Продольный прогон станции в зависимости от его конструктивного решения рассчитывают на действие вертикальных нагрузок как простую или двухконсольную однопролетную балку и проверяют на кручение, возникающее в случае расположения временной нагрузки на одном из примыкающих к прогону пролетов.
Колонна имеет шарнирное соединение с прогоном; ее рассчитывают как центрально сжатый элемент на нагрузки, передающиеся с прогона.
При расчете конструкции станции следует учитывать, что грунт засыпки не только создает нагрузку на обделку станции и передает давление от нагрузки, приложенной к поверхности, но и является средой, работающей совместно с обделкой. Характер взаимодействия обделки и грунта засыпки в значительной степени зависит от способа раскрытия котлована, в котором сооружают станцию, и способа выполнения засыпки.
В монтажной стадии под действием активного давления грунта стены обделки деформируются внутрь станции, что вызывает некоторое перераспределение величины давления по высоте обделки. При этом полная величина актив-
иого давления почти не изменяется и может быть определена обычным способом, как для сыпучих грунтов.
По мере засыпки котлована выше уровня перекрытия станции в стенах обделки возникают усилия, вызывающие их деформации в сторону грунта. Расположение временной нагрузки на поверхности над станцией или в пределах одной призмы обрушения (несимметричное загружение) также вызывает деформации противоположной стены в сторону грунта. В этом случае величина давления грунта зависит от величины деформации стены и составляет промежуточное значение между величиной активного давления и величиной предельного пассивного давления:
?z = <7az + ?nz. (267)
где q, — величина давления грунта на обделку на расстоянии z от верха стены;
<7а- — величина активного давления грунта на расстоянии z от верха стены;
<7пг — величина пассивного давления грунта на расстоянии z от верха стены.
Если исходить из теории местных деформаций, величину пассивного давления грунта можно определить по формуле
Qnz= ^об z Уz> (268)
где yz— величина прогиба стены обделки на расстоянии z от верха стены;
^об z — обобщенный коэффициент упругого отпора на глубине z от верха стены обделки.
Обобщенный коэффициент упругого отпора учитывает деформации грунта засыпки и деформации грунта за стенами котлована и выражается зависимостью
,^1Z ^2Z
где /е12 — коэффициент упругого отпора засыпки;
й2г — коэффициент упругого отпора грунта за стенами котлована.
Коэффициент упругого отпора засыпки определяется по формулам: при сооружении станции в котловане с откосами
^iz=4L’ <27°)
°z
где
bz = b0 + (й0 — z) tg а; (271)
при сооружении станции в котловане с вертикальными стенами
(272) t>0
Модуль общей деформации грунта Ео, входящий в формулы (270) и (272), устанавливают для заданной плотности засыпки при лабораторных испытаниях грунта.
Величину коэффициента упругого отпора k2z можно устанавливать по результатам полевых испытаний грунта или принимать по данным, имеющимся в технической литературе.
Полученная по формуле (267) величина давления грунта на стены станции не должна превышать величины пассивного давления грунта, вычисленной по теории предельного равновесия.
Таким образом, при расчете конструкции станции на нагрузки, вызывающие деформации стен в сторону засыпки, стеновой блок можно рассматривать как сжато-изогнутую балку, лежащую на упругом основании с переменным пли постоянным по длине коэффициентом упругого отпора.
Рассмотренные выше приемы учета взаимодействия элементов конструкции станции и грунта могут быть распространены и на такие конструкции, как односводчатая станция мелкого заложения, и конструкция, стены которой сооружаются в траншеях.
Свод станции, состоящий из двух элементов, рассчитывают по схеме трехшарнирной арки, а в случае омоноличивания замковой части — по схеме двухшарнирной арки с учетом осадки опор. Массивные опоры свода рассчитывают как жесткие диски, воспринимающие усилия от свода. В связи с тем что свод таких конструкций пологий, отпор, возникающий в его пятовых частях, незначителен и может не учитываться.
Несущая способность элементов станций, сооружаемых открытым способом, проверяется по нормам проектирования СНиП П-Д. 7-62.
§ 128. РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ КОНСТРУКЦИЙ, СООРУЖАЕМЫХ ЗАКРЫТЫМ СПОСОБОМ
Для станции пиленного типа характерной особенностью является наличие у нее средней проемной части, где все три тоннеля соединяются обделками проходов, и глухих частей боковых тоннелей, не имеющих проходов.
Наиболее определенна работа обделки глухой части. Здесь боковые тоннели разделены большим целиком породы, достигающим 10 м и более, и работа их обделок происходит независимо друг от друга. Поэтому в качестве расчетной схемы обделки тоннеля глухой части станции может быть принята схема одиночного тоннеля кругового очертания. Расчетные схемы таких конструкций подробно изложены в главе 19.
Рассмотрим особенности статической работы средней проемной части станции. Здесь станция образуется из типовых секций благодаря равномерному чередованию проемов и пилонов. Для анализа работы обделки в проемной части достаточно рассмотреть работу одной проемной секции. Другие секции при неизменных геологических условиях и одинаковом способе сооружения будут работать так же.
До раскрытия проемов эта часть обделки работает аналогично обделке глухой части станции, с той лишь разницей, что зона нарушенной при проходке породы будет большей ширины, общей для трех станционных тоннелей, тогда как для каждого из тоннелей глухой части область нарушенных пород одного тоннеля не накладывается на область другого. После раскрытия проемов вступает в работу типовая секция: цилиндрическая конструкция, ослабленная боковыми отверстиями, с одной стороны у крайних тоннелей и с обеих сторон — у среднего тоннеля.
Расчетные схемы таких секций, учитывающие пространственную работу конструкции, показаны на рис. 470, а для бокового тоннеля и на рис. 470, б для среднего станционного тоннеля. Нагрузка q равномерно распределена по площади горизонтальной проекции секции и измеряется в тс/м2. На поперечных сечениях АА обозначены углы, ограничивающие безотпорную зону аг.
Для бокового тоннеля со стороны пилона принята величина alt большая, чем а. Если боковая поверхность пилона мала или порода целика слабая, то отпор по пилону не учитывается. В этом случае безотпорная зона пилона ограничивается углом а2. Для среднего тоннеля безотпорная зона симметрична и ограничивается углом 2а3 или 2а4.
Типовая секция может быть выделена не только сечениями по осям пилонов, но и сечениями по осям проходов, а также одним сечением по оси пилона, а другим — по оси прохода. Торцы секций (в плоскостях условного сечения) имеют плавающую заделку; она не препятствует вертикальным перемещениям в плоскости заделки, но не допускает углового перемещения заделанного сечения. Такие же деформации в плоскости, проходящей через середину пилона, имеет и реальная конструкция; примыкающие друг к другу торцы смежных секций препятствуют повороту этого сечения, но могут перемещаться по вер
тикали вследствие деформаций обделки и подстилающей породы под действием вертикального горного давления.
Рассмотренные расчетные схемы отличаются от упрощенных плоских схем, применяемых для расчета станционных конструкций, тем, что отражают пространственную работу обделки станции. Они еще не применялись в расчетной практике ввиду их сложности. Однако расчет этих и подобных систем в настоящее время при использовании вычислительных машин возможен.
Обделки крайних и среднего тоннелей уже после их сооружения соединяют конструкциями проходов. Такой порядок сооружения позволяет считать, что к моменту устройства обделки прохода соседние тоннели уже восприняли нагрузку от горного давления и имеют деформации, которые остаются в течение всего времени их существования. В этих условиях присоединение обделок проходов не может вызвать существенных изменений в работе обделок тоннелей. Это позволяет назначить для конструкции пиленной станции из чугунных тюбингов сравнительно простую расчетную схему, в которой статическая работа отдельных тоннелей проходит независимо друг от друга (см. рис. 470).
В качестве упрощенных схем используют плоские расчетные схемы станционных тоннелей, в которых не учитывается работа конструкции в продольном направлении. В этом случае для типовой секции, как и для обделки кругового очертания, принимают схему кольца переменной жесткости, работающего в упругой среде. На таких схемах в виде многоугольников (см. на рис. 470, а и б справа) на участках пилонов упругие опоры и боковая нагрузка показаны штриховыми линиями, так как в этих областях упругий отпор породы и боковое давление имеют особый характер, и для того, чтобы гарантировать проявление этих факторов, необходимо провести специальные работы по укреплению целика породы или замене его монолитным бетоном.
Еще большее допущение предполагает независимой работу незамкнутых проемных и замкнутых пилонных колец, что позволяет сначала рассчитать кольца проемной части по упрощенной схеме (рис. 471). Обделки боковых тон-
д-д
Рис. 470. Расчетная схема:
а — бокового тоннеля пиленной станции; 6 — среднего тоннеля 448
целей разомкнуты проемами. Опирание обделок тоннелей на перемычки принято шарнирным в связи с некоторой податливостью соединения элементов перемычки. В обделке среднего тоннеля рассчитывают только верхний свод, так как свод лотковой части, не показанный на схеме 471, а, работает в более благоприятных условиях и его назначают конструктивно.
После расчета проемной части необходимо выполнить расчет перемычки на усилия, определенные в
Рис. 471. Упрощенные расчетные схемы для: а — проемной части пилоиной станции; б — пиленной части
опорных частях среднего
свода или бокового тоннеля. От свода на перемычку передаются вертикальная реакция V и распор Н (рис. 472). Эти усилия показаны штриховыми линиями, так как они заменены тождественной системой двух сил —нормальной N и поперечной Q. На внешнюю поверхность перемычки действует вертикальное горное давление q н горизонтальное р. Кроме того, на перемычку от свода передается распределенный момент М. Так как соединение свода с перемычкой принято шарнирным (см. рис. 471) и тем самым обеспечен запас прочности для свода, то может быть исключено действие момента. Однако в дейст
вительности усилия такого рода, скручивающие перемычку, существуют. Точное аналитическое определение этих усилий проблематично в связи с труд-
ностью численного определения степени заделки свода в перемычке.
К факторам, затрудняющим точный расчет перемычки, относятся:
1) совместность работы перемычки и находящейся с ней в контакте породы на действие усилий Q и Л4;
2) совместность работы перемычки и скрепленных с ней пятовых частей опирающегося на нее свода на действие всех передающихся на перемычку усилий;
3) двоякая кривизна перемычки, расположенной не на плоскости, а на цилиндрической поверхности.
Перечисленные осложнения в работе перемычки вынуждают ограничиваться лишь приближенным определением усилий в этой части конструкции и принимать для ее расчетной схемы существенные упрощения, но идущие в запас прочности. Например, можно рекомендовать выделить главный силовой фак-
тор — передающиеся со свода распределенные силы N—и рассчитывать на эти силы перемычку как плоский — бесшарнирный свод переменного сечения.
Следующим этапом расчета конструкции, расчлененной на плоские элементы, является определение внутренних усилий в пилонной части обделки. Ее расчетная схема (см. рис. 471,6) имеет вид трех колец переменной жесткости, работающих незави-
Вид Я N
ПН I i 1I lilt i Н t III t I t И It H ИГП
____________i _ _ _
' _____________Г ................'
i I i I i I i I H tl i 1i I * I i И H I i I f
£7 £ const
Рис. 472. Схема нагрузок, действующих на перемычку
симо друг от друга. Смежные части колец, составленные из усиленных тюбингов, обозначены более жирными линиями. В точках контуров, соответствующих местам опирания перемычек на пилоны, приложены усилия All, Ni> Qi и М2, N2, Q2, передающиеся с пят перемычек на пилоны. Усилия М2, N2 и Q2 определяют из расчета нижней перемычки бокового тоннеля. Моменты и М2, скручивающие перемычки, в пилонных кольцах вызывают изгиб. В рассматриваемой плоской схеме не учитывают передачу опорного момента в перемычке на рамное кольцо. Этот опорный момент действует в плоскости перемычки, перпендикулярной плоскости рамного кольца.
Передача усилий с перемычки на кольца пилона происходит неравномерно. Рамные кольца, на которые непосредственно опирается перемычка, нагружены больше, а внутренние кольца пилона — меньше из-за некоторой податливости болтовых связей. Поэтому после определения усилий в пилонной части обделки проверку прочности рамных колец необходимо проводить с учетом неравномерности распределения усилий — умножением их погонных значений на величину коэффициента перегрузки 1г. Рекомендуется назначать значение k = 1,5.
Для конструкций пилонной станции из сборного железобетона назначение плоских расчетных схем более обоснованно, чем для конструкций из чугунных тюбингов, ввиду отсутствия конструктивных связей между соседними кольцами. Совместность работы железобетонных колец обеспечивается только силами трения между ними.
Отдельные кольца как замкнутые (в глухих частях и в пределах пилонов), так и разомкнутые проемами, рассчитывают по схемам круговых обделок из блоков, не имеющих связей растяжения в стыках.
После расчета кольца получают усилия, необходимые для расчета рамы проема. Для конструкции, у которой сборная железобетонная рама проема выполнена из простых балок и колонн (см. § 121), нагрузка на балочную перемычку может быть определена независимо от расчета кольца (рис. 473). Перемычку рассчитывают по схеме простой или защемленной с двух концов балки в зависимости от условий ее опирания на колонны. По тем же условиям принимают расчетную схему колонны.
В этой конструкции рамы проема нагрузка от балочной перемычки не передается на кольца пилона, так как она непосредственно опирается на колонны. Поэтому пилонные кольца такой конструкции не требуют специальной проверки, так как их работа по существу не отличается от работы колец глухой части обделки.
В другой конструкции (см. главу 29) перемычка выполнена в виде неразрезной балки из монолитного железобетона. Она лежит в плоскости, касательной к поверхности блоков, окаймляющих верх проема, и воспринимает нагрузку от опирающихся на нее блоков, передавая ее на пилонные кольца обделки. Расчетная схема перемычки принята в виде защемленной с двух концов балки пролетом L (рис. 474).
При анализе статической 'работы такой перемычки, как и в конструкции из чугунных тюбингов, возникают осложнения, связанные с учетом совместной работы балки, опирающихся на нее блоков и окружающей породы. И здесь рекомендуется в
Рис. 473. Расчетная схема железобетонной рамы проема
качестве нагрузки на перемычку принимать главный из действующих силовых факторов — распределенные нормальные силы N.
Клинчатую перемычку из железобетонных блоков (см. § 121) рассчитывают по схеме свода, собранного из отдельных камней.
Обделки станций колонного типа отличаются большей четкостью и определенностью работы по
Рис. 474. Расчетная схема неразрезной балочной перемычки
сравнению со станциями
пилонного типа. Для рассмотренных в § 122 конструкций колонных станций различных видов можно выбрать более или менее отличающиеся друг от друга расчетные схемы. Эти подземные конструкции образуются из типовых секций благодаря равномерному чередованию колонн и проходов между ними. Для анализа работы станционной обделки достаточно рассмотреть работу одной типовой секции.
Характерной особенностью колонной станции является объединение всех
станционных тоннелей в единую статически неопределимую конструкцию.
В процессе строительства условия работы подобных конструкций претерпевают ряд изменений. Боковые тоннели, сооружаемые раньше среднего зала, вначале работают независимо друг от друга подобно тоннелям в глухой части пилонной станции. С проходкой среднего зала условия работы крайних тоннелей ухудшаются, так как при разработке породы с их боковых поверхностей снимается отпор. Мероприятия, компенсирующие в этот период ослабление работающей совместно системы обделки и породы, рассматриваются в главе 38. После сооружения лотковой части обделок боковых тоннелей конструкция стан-
ции вступает в работу как единое целое; начинается эксплуатационная стадия ее работы, с учетом которой и составляют главную расчетную схему и выполняют основной расчет.
Для типовых конструкций, в которых обделки смежных тоннелей объединены прогоном, опирающимся на колонны (см. § 122), расчетные схемы типовых секций, учитывающие пространственную работу конструкции, приведены на рис. 475, где нагрузка (тс/м2) равномерно распределена по площади горизонтальной проекции секции. На поперечном сечении совмещены две конструкции: слева от оси симметрии—с плоским лотком в среднем тоннеле, справа — с обратным сводом. Соответственно слева и справа даны продольные разрезы секций А — А иБ — Б. Торцы секций (в плоскостях условного сечения) имеют плавающую заделку аналогично расчетным схемам секций пилонной станции.
В качестве упрощенных схем для расчета станций колонного типа в настоящее время используют плоские расчетные схемы типовых секций, в которых работа конструкции в продольном направлении не учитывается (рис. 476).
В этом случае также выделяют типовую секцию, характеристики которой удобно приводить к 1 пог. м. Для приведения характеристик колонны к 1 пог. м их величины нужно разделить на длину типовой секции.
Действительная и уп-
Рис. 475. Расчетная схема конструкции станции колонного типа
451
рощенные расчетные схемы чугунной обделки колон-
15*
Узел А в расчетной схеме в основной схеме
ной станции с плоским лотком среднего тоннеля (слева) и с обратным сводом (справа) показаны на рис. 476, а. Использовав прием Метропроекта, из этих схем получают рабочие расчетные схемы, по которым можно вести расчет методом сил (рис. 476, б).
В настоящее время в проектной практике для расчета колонных станций наибольшее распространение получил метод перемещений с соответствующей расчетной схемой конструкции (рис. 476, в), где распределенное упругое основание заменено рядом упругих опор.
Во всех расчетных схемах учтен непрерывный отпор породы по боковым поверхностям крайних тоннелей и в нижней части конструкции. В запас прочности не учтен отпор, возникающий в области верхних опорных узлов, где на разность распоров опирающихся на колонны сводов одновременно и совместно с конструкцией работает клиновидная часть массива породы, залегающая над смежными частями сводов (рис. 477). В конструкциях со сводами, расположенными в одном уровне (рис. 477, а), эта клиновидная часть сопротивляется сдвигу по горизонтальной плоскости А — А, проходящей через шелыги обделок. При различных уровнях расположения среднего и крайнего сводов (рис. 477, б) разность распоров обычно бывает большая, но и часть массива, осуществляющая отпор, в этом случае будет значительно больше. Совместная
работа обделки и породы будет обеспечиваться не только сопротивлением сдвигу в плоскости Б — Б, но и упругими свойствами части массива, расположенного ниже этой плоскости.
Отпор на этом участке обделки может быть учтен постановкой упругой опоры (рис. 477, в). Для шарнирных конструкций, выполненных из блоков, постановка такой опоры необходима, так как в ином случае система становится изменяемой.
В плоской расчетной схеме не учитывается работа продольного элемента — прогона, поэтому его расчет выполняют отдельно. В колонных станциях рассматриваемого типа нагрузка на этот элемент конструкции может быть определена и без предварительного расчета станционной обделки (рис. 478). Нагрузку на прогон определяют как произведение погонной нагрузки q (тс/пог.м) на сумму полупролетов, опирающихся на прогон сводов L (м).
Так как изгибающийся прогон в рассматриваемой конструкции так же, каки перемычка в конструкции пилоннойстанции, работает совместно с частью обделки, которая передает на него нагрузку и скреплена с ним, то неучет
Рис. 476. Упрощенные схемы конструкции станции колонного типа: а — действительная схема конструкции: б — действительная расчетная схема по методу сил; в — то же, по методу перемещений
Рис, 477. Схемы учета клиновидной части Рис. 478. Схема нагрузки на прогон массива
совместности в работе этих частей конструкции идет в запас прочности.
В качестве расчетной схемы прогона могут быть приняты бесшарнирный свод, свод с шарниром в замке, балка переменного сечения, защемленная по концам, или консольная балка переменного сечения (рис. 479). Выбор между этими схемами де
Рис. 479. Расчетные схемы прогона
лают в зависимости от конструкции прогонов или стыка между ними, а также от способа соединения обделки с прогоном.
Усилия в колонне определяют из расчета типовой секции. Для проверки прочности колонны и уточнения размеров ее поперечного сечения необходимо полученные погонные усилия в колонне умножить на длину типовой секции.
Для колонных станций иной конструкции (см. § 122), у которых роль прогона, воспринимающего вертикальное давление от сводов, выполняют арочные перемычки из чугунных тюбингов или другие элементы, как пространственная, так и плоская расчетные схемы принципиально не отличаются от рассмотренных схем конструкции со стальными прогонами. Важным моментом при назначении расчетных схем таких конструкций является установление степени совместности работы смежных элементов, которое становится возможным на базе натурных исследований колонных станций глубокого заложения, проводимых ЦНИИСом.
Применением сборных железобетонных прогонов и колонн для станций колонного типа, как правило, уменьшается число связей между смежными элементами. Это упрощает расчетную схему конструкции и должно быть в ней учтено.
Условия статической работы конструкции односводчатой станции глубокого заложения проще, чем станций колонного и пилонного типов. Расчетная схема односводчатой станции близка к расчетной схеме подковообразной обделки большого пролета, но может отличаться значительной разностью жесткостей смежных частей конструкции и наличием как монолитных, так и сборных элементов.
Глава 31
СВЯЗЬ СТАНЦИЙ МЕТРОПОЛИТЕНОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ЗЕМЛИ
§ 129. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Входы и выходь? станций метрополитенов могут быть оформлены двумя различными способами. При одном способе сооружают наземный вестибюль с входными и выходными дверями, при другом — лишь лестничные марши, ведущие в подземный вестибюль и огражденные перилами; иногда над ними устраивают легкий навес.
Выбор того или другого решения зависит главным образом от числа входов и выходов, которое определяется местом расположения и пассажирооборо-том станции. При выборе решения учитывают температуру зимних месяцев.
На линиях как советских, так и зарубежных метрополитенов некоторые станции имеют по 8 и более входов и выходов.
Большое число входов и выходов, расположенных на тротуарах улиц, на площадях, в скверах или зданиях того городского квартала, где находится станция метрополитена, избавляет от перехода улиц и площадей, что создает большие удобства для пассажиров, пользующихся 'линией метрополитена. Все входы и выходы соединяются при помощи подходных коридоров с одним или двумя подземными вестибюлями, связанными со станцией метрополитена
лестницами или эскалаторами.
Эскалатор представляет собой лестницу с движущимися ступенями и поручнями, размещенную в специальном наклонном тоннеле. Ступени связаны между собой в замкнутую ленту тяговыми цепями, перекинутыми вверху через при-водныз, а внизу через натяжныэ звездочки.
Приводные (тяговые) звездочки насажены на главный вал, соединенный
с электродвигателем через цилиндрические одноступенчатые и двухступенча-
Рис. 480. Поперечный разрез эскалатора:
1 — верхняя ветвь полотна эскалатора; 2 — нижняя ветвь полотна эскалатора; 3 — металлоконструкция; 4 — кронштейн бал* люстрады; 5 — баллюстрада; 6 — поручень; 7 — тяговая цепь эскалатора
тые редукторы. Вращение главного вала обеспечивает движение ступеней и поручней эскалатора в обоих направлениях. Натяжные звездочки расположены на полуоси натяжной каретки, служащей для постоянного натяжения эскалатора.
Маталлический каркас эскалатора представляет собой две продольные фермы, соединенные поперечными связями (рис. 480). Каждая ферма состоит ит стандартных секций шестиметровой длины и одной секции нестандартной длины, компенсирующей разницу между фактической длиной наклонного участка эскалатора и длиной, крат-
ной шестиметровой стан-дартной секции. Вверху к стандартным секциям примыкает металлическая
конструкция приводной станции, а внизу — металлическая конструкция натяжной станции эскалаторов.
Фермы состоят из уголков или швеллеров и соединяются между собой двумя поперечными связями из двутавров. Расположение этих связей позволяет использовать пространство над верхней связью для размещения рабочей ветви эскалатора,
Рис. 481. Схема эскалаторного комплекса:
1— натяжная камера: 2—ннжний оголовок эскалаторного тон* неля; 3 — наклонный эскалаторный тоннель; 4 — верхний ого* ловок эскалаторного тоннеля; 5 — машинное помещение
а пространство между верхней и нижней связью — для размещения холостой
ветви эскалатора.
На метрополитенах Советского Союза в настоящее время применяют четыре типа эскалаторов: ЛТ-5 для подъема на высоту до 12 м; ЛТ-4 — от 12 до 25 м; ЛТ-3 — от 25 до 45 м и ЛТ-2 — от 45 до 65 м, различающихся размерами и формой приводных и натяжных станций.
Приводные станции размещают в нижних этажах вестибюлей (машинных помещениях), а натяжные—в специальных тоннелях (натяжных камерах), примыкающих к станциям, а в отдельных случаях — внутри станций. Машинные помещения, наклонные эскалаторные тоннели и натяжные камеры образуют эскалаторный комплекс станций метрополитенов (рис. 481).
Эскалатор ЛТ-5 (рис. 482) применяют в основном на пересадках между станциями, а также на станциях мелкого заложения. Небольшая высота эскалаторов определила минимальные размеры приводной и натяжной станций, ширина которых зависит от числа эскалаторов (от одного до четырех).
Для небольших высот (до 6—8 м) разработана облегченная конструкция эскалатора (ЛП-6И), не требующая специальных помещений для приводных и натяжных станций. Такая конструкция представляет собой агрегат, ремонтируемый в заводских условиях.
Наземный вестибюль позволяет связать станционную платформу при помощи эскалаторов непосредственно с уровнем городских тротуаров без устройства дополнительных лестниц или подходных коридоров. Однако применяют и другое решение, когда эскалаторы соединяют станционную платформу с подземным вестибюлем, от которого подземные подходные коридоры ведут к лестницам, расположенным в различных точках городской площади или перекре-
Рис. 483. Подземный вестибюль с подходными коридорами станции «Площадь Ногина» Московского метрополитена:
/ — лестницы; 2 — переходной коридор; 3 — подземный вестибюль; 4 — эскалаторный тоннель
стка улиц. Примером такого решения может служить станция «Площадь Ногина» Московского метрополитена, где подземный вестибюль связан шестью подходными коридорами с десятью лестницами, расположенными на тротуарах и в сквере (рис. 483).
На многих станциях Нью-Йоркского и Токийского метрополитенов роль вестибюлей выполняют верхние этажи станций метрополитенов («мезонины»). Связь станционной платформы с уровнем пола «мезонина» осуществляется посредством нескольких лестниц.
На существующих линиях метрополитенов встречаются и такие решения, когда станции различного заглубления имеют одновременно подземные и наземные вестибюли, обеспечивающие всего один или два входа на станцию. Такие решения излишне дороги и нерациональны.
Можно выделить следующие элементы существующих решений связи подземных станций метрополитенов с поверхностью земли: лестницы, подходные коридоры, подземные, промежуточные и наземные вестибюли и эскалаторный комплекс.
Пропускную способность лестниц, эскалаторов, вестибюлей и коридоров принимают одинаковой и соответствующей пропускной способности станции, рассчитанной на перспективный пассажиропоток.
§ 130. ЛЕСТНИЦЫ И ПОДХОДНЫЕ КОРИДОРЫ
Лестницы могут быть расположены в любых пунктах городского квартала, отстоящих не более чем на 100 м от станции метрополитена. Ширина лестниц зависит от ширины тротуаров и планировки зданий, в которых они могут быть расположены, и обычно принимается равной 3—4 м. Лестницы работают на двустороннее движение, т. е. на спуск и подъем; пропускная способность 1 м ширины лестниц 3000 чел.-ч. Ступени лестниц при массовых пассажиропотоках принимаются размером 40 X 12 см.
Лестницы, минимальная высота которых равна 4 м, состоят из двух маршей, разделенных площадками шириной 1,5—2 м.
Стены, ограничивающие лестницы, устраивают из железобетонных плит так, чтобы они возвышались на 40 см над поверхностью тротуара. Во многих случаях лестницы заменяют эскалаторами, что создает большие удобства для пассажиров.
Подходные подземные коридоры связывают лестницы с подземными вестибюлями; протяжение их доходит в отдельных случаях до 456
Рис. 484. Конструкция подходного коридора
100 м. Для коридоров такой длины рационально применять движущиеся тротуары. Ширина коридоров на существующих метрополитенах мира колеблется от 2 до 6 м; высота в отделке не менее 2,5 м. Минимальную глубину заложения принимают равной 4 м с таким расчетом, чтобы над перекрытием оставался слон засыпки толщиной не менее 1 м. При меньшем слое засыпки над перекрытием устраивают теплоизоляцию.
Наиболее современная конструкция подходных коридоров состоит из железобетонных элементов, образующих лоток, стены и перекрытие (рис. 484).
§ 131. ВЕСТИБЮЛИ
Подземные вестибюли предназначены для того, чтобы объединить все входы и выходы, расположенные в различных пунктах городского квартала, и соединить их с платформой станции метрополитена при помощи лестниц или эскалаторов.
Подземные вестибюли располагают непосредственно под поверхностью земли. Их конструкция, объем и планировка в большей степени зависят от глубины заложения станции метрополитена. При мелком заложении станции подземный вестибюль располагают в торце или середине станции и конструктивно соединяют с ней. В одном из наиболее современных решений такого вестибюля для его создания применяют почти все конструктивные элементы станции, увеличивается лишь высота колонн. План и продольный разрез вестибюля показаны на рис. 422, а его поперечные разрезы А — А и Б — Б — на рис. 485.
Планировка подземных вестибюлей, расположенных над мелко заложенными станциями метрополитена, очень проста: она должна предусматривать расположение лестниц или эскалаторов облегченной конструкции, автоматов контроля и в отдельных случаях касс для продажи билетов или размена денег.
Более сложную планировку имеют подземные вестибюли станций глубоко заложенных (рис. 486). К вестибюлю примыкают эскалаторы с приводными устройствами, занимающими нижний этаж эскалаторного зала (машинное помещение). Как правило, эскалаторный зал подземного вестибюля выделяют из общего объема либо расположенными по кругу колоннами (см. рис. 486), либо стенами с широкими проемами для входящих и выходящих пассажиров.
В тех случаях, когда коридоры подходят к подземному вестибюлю с различных сторон, вокруг эскалаторного зала устраивают широкий проход, объ-
единяющий все подходные коридоры. По этому объемлющему эскалаторный зал коридору пассажиры переходят к эскалаторам и в обратном направлении. В этом же коридоре располагают необходимые служебные помещения. Кроме того, он часто используется и для перехода площади и улиц.
Подземные вестибюли просты по конструкции. Их можно сооружать из монолитного бетона или сборного железобетона и металлических балок, применяемых для перекрытий.
Наземные вестибюли могут быть связаны непосредственно с платформой станции (тип I) или с подземным вестибюлем (тип II). Вестибюли I типа предназначены только для глубоко заложенных станций, связь с которыми осуществляется при помощи эскалаторов. Вестибюли II типа применимы для станций, расположенных на любой глубине. Связь наземных вестибюлей II типа с подземными обычно осуществляется при помощи лестниц.
В последнее время при сооружении станций глубокого заложения предпочтение отдается наземным вестибюлям I типа, не имеющим лестниц, а лестницы наземных вестибюлей II типа заменяют облегченными эскалаторами.
По расположению наземные вестибюли подразделяют на отдельно стоящие и встроенные в здания.
Планировка отдельно стоящего вестибюля очень компактна. Его общая площадь ограничена окружностью радиуса ~ 15 м: средняя часть этой площади, очерченная радиусом 8,5 — 9,0 м, образует эскалаторный зал (рис. 487). Как и в подземном вестибюле, эскалаторный зал, ограниченный колоннами, служит для организации
Рис. 486. План подземного вестибюля:
/ — эскалаторный тоннель; 2 — вентиляционная шахта; 3 — эскалаторный зал
движения пассажиров к эскалаторам и в обратном направлении без пересечения встречных пассажиропотоков.
В кольцевом пространстве, ограниченном внешней окружностью вестибюля и колоннадой эскалаторного зала, размещают кассы и контрольные пункты. Иногда часть площади этого кольца занимают верхний оголовок эскалаторного тоннеля и расположенные по обе стороны от него вентиляционные отсеки. Отсеки с жалюзийными решетками в наружной стене вестибюля соединяются с вентиляционным каналом в нижней части наклонного эскалаторного тоннеля.
Приведенная на рис. 487 планировка наземного вестибюля удобна тем, что при любом расположении эскалаторного тоннеля по отношению к красным линиям городской застройки конструктивное решение
Рис. 487. Отдельно стоящий наземный вестибюль глубоко заложенных станций:
/ — эскалаторный зал; 2 — эскалаторы; 3 — выходной тамбур; 4 — входной тамбур; 5 — решетка для очнстхн ног
вестибюля не меняется. Конструктивные элементы, образующие стены, перекрытия, тамбуры, двери, окна, блоки санузлов, лестницы и перегородки служебных помещений, могут быть типовыми.
Подвальный этаж вестибюля, ограниченный внутренним кольцом, служит для размещения приводных устройств эскалаторов. Подробное описание планировки и конструкций этого этажа приведено ниже (см. § 132).
Высоту эскалаторного зала наземного вестибюля принимают равной 6,0 — 7,5 м; перекрытие его выполняют из монолитного железобетона, но оно может быть и сборным.
Планировка наземных вестибюлей, встроенных в здания и занимающих 1асть из первых этажей, должна соответствовать планировке этих зданий. Кризолинейное очертание наружных стен вестибюлей меняют на прямолинейное. Криволинейное очертание эскалаторного зала при этом чаще всего сохраняют, гак как оно полностью или частично выходит за пределы расположенного над вестибюлем здания. В здании, опирающемся на наземный вестибюль, устраивают осадочные швы для предотвращения возможных деформаций его конструкций вследствие неравномерной осадки. Кроме того, принимают специальные меры против вибрации здания от движущихся эскалаторов.
Промежуточные вестибюли. Промежуточными принято называть вестибюли, расположенные между двумя маршами эскалаторов.
Необходимость в двухмаршевых эскалаторах возникает при значительной глубине заложения станций, когда мощность приводных устройств одномаршевого эскалатора не позволяет увеличить их высоту. Особенностью промежуточных вестибюлей, отличающих их от подземных и наземных вестибюлей, является размещение в нижнем этаже не только машинного помещения нижнего марша, но и натяжной камеры верхнего марша эскалаторов. Это обстоятель-
Метопическая гидроизоляция
Рис. 488. Конструкция промежуточного вестибюля, сооружаемого горным способом
Рис. 489. Конструкция промежуточного вестибюля, сооружаемого опускной секцией
бюль сооружают из монолитного железобетона
ство определяет значительные размеры промежуточных вестибюлей. Кроме того, в отличие от подземных вестибюлей, расположенных непосредственно под поверхностью земли, промежуточные вестибюли располагают на глубине, не позволяющей сооружать их открытым способом. Их можно сооружать только закрытым способом или опускными секциями.
Конструктивное решение промежуточных вестибюлей зависит от способа их сооружения. При сооружении их горным способом конструкция обделки состоит из свода, опирающегося на опоры или стены (рис. 488).
Такое конструктивное решение неоднократно применялось для промежуточных вестибюлей Московского метрополитена, сооруженных в глинах или известняках при наличии гидростатического давления. В [более благоприятных условиях для обделки промежуточных вестибюлей взамен чугунных тюбингов можно применять железобетонные блоки или монолитный бетон.
Конструкция промежуточного вестибюля, сооружаемого способом опускных секций в неустойчивых породах, представляет собой цилиндр, опирающийся на ножевое кольцо и перекрытый куполом (рис. 489). Такой вести-на поверхности и опускают
затем на проектную отметку при помощи кессона. Перед опусканием вестибюля на его внешнюю поверхность наносят гидроизолирующий и защитный слои.
§ 132. ЭСКАЛАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС
Машинное помещение эскалаторов предназначено для размещения электроприводов с редукторами, приводных устройств, щита управления и вспомогательных устройств. Оно входит в состав наземного, промежуточного и подземного вестибюлей и является их иижним этажом.
Размеры и форма машинного помещения зависят от типа эскалаторов. Для ЛТ-2 и ЛТ-3 план машинного помещения имеет вид прямоугольника, переходящего в полукруг радиусом от 8,5 до 8,8 м для ЛТ-3 (рис. 490) и радиусом 9,85 м для ЛТ-2. Для ЛТ-4 и ЛТ-5 машинное помещение имеет вид прямоугольника длиной соответственно 17,2 и 12,0—12,6 м. Ширина машинного помещения зависит от числа эскалаторов и складывается из ширины площади, занятой фундаментами под оборудование, и ширины проходов между крайними фундаментами и стенами, равной минимум 90 см. Высоту машинного помещения от уровня чистого пола вестибюля принимают равной 3,2 м.
Щит управления устанавливают в таком месте, где обеспечена возможно большая видимость приводных механизмов и торцов эскалаторов.
Проем в стене для доставки оборудования к демонтажной шахте при ремонте нужно располагать так, чтобы к нему был доступ от любого из приводных агрегатов. Через этот проем можно выдавать в демонтажную шахту детали редукторов и моторов привода. Ширина проема должна быть не менее 2,5 м и высота 2,0 м. Сечение шахты принимают 2,5 X 3,0 м.
На одном уровне с машинным помещением располагают служебные помещения. Вентиляционные камеры (приточную и вытяжную) можно разместить в углах у стены, примыкающей к эскалаторам.
Вход в машинное помещение оборудуют лестницей шириной не менее 90 см.
Кабели прокладывают по стенам и в каналах, проложенных в полу, в слое бетона толщиной 30 см и перекрытых рифленым стальным листом. По
этим каналам кабели подводят к щиту управления и от него к фундаментам приводов и главных валов.
Наклонный эскалаторный тоннель служит для размещения ферм, баллю-страд и ступеней эскалаторов. Его располагают под углом 30° к горизонту для возможности в случае необходимости использования эскалаторов как лестниц.
Верхняя часть наклонного эскалаторного тоннеля соединяется с машинным помещением через верхний оголовок, обделку которого выполняют из бетона с внешней гидроизоляцией и сооружают в открытом котловане.
При расположении вестибюля на слабых грунтах, что может привести к его осадке, в сопряжении эскалаторного тоннеля с оголовком устраивают специальный компенсатор.
Наклонные эскалаторные тоннели проектируют для двух, трех и четырех эскалаторов; в зависимости от этого они имеют раз лич-
А-А
Уо. чистого пола вестибюля
Рис. 490. План и разрез машинного помещения эскалаторов:
I — щит управления; 2 — пути с поворотными устройствами для монтажа и демонтажа оборудования; 3 — фундаменты приводов и главных валов; 4 — фундаменты для опирания металлических ферм
Рис. 491. Конструкция тоннеля для трех Рис. 492. Конструкция тоннеля для четырех эскалаторов эскалаторов
Наибольшее распространение на метрополитенах мира получили тоннели для трех эскалаторов. Для размещения трех новых малогабаритных эскалаторов на метрополитенах Советского Союза служит тоннель наружным диаметром £>н = 7,5 м с обделкой из чугунных тюбингов (рис. 491). Чугунную обделку принимают при заложении эскалаторных тоннелей в неблагоприятных гидрогеологических условиях, а также при статической работе их в продольном направлении как балок на упругом основании. В благоприятных условиях можно применять обделки из железобетонных блоков.
Малогабаритные эскалаторы размещают в наклонном эскалаторном тоннеле £>и = 7,50 м таким образом, что горизонтальная ось тоннеля почти совпадает с верхом металлических ферм, поддерживающих эскалаторы, а вертикальная ось совпадает с осью среднего эскалатора.
Металлические фермы опираются на сборные железобетонные опоры сечением 20 х 30 см и длиной 6 м, соответствующей стандартной длине участков металлических ферм. Опоры расположены на блоках ЭП-3 или ЭП-4 и крепятся к ним сваркой закладных металлических пластинок.
Для прохода по кабельному каналу и осмотра эскалаторного оборудования, по низу наклонного тоннеля, а также по блокам ЭП между металлическими фермами устраивают лестницы шириной 50 см со сборными железобетонными ступенями.
Рис. 493. Конструкция натяжной камеры для трех эскалаторов
Эскалаторные тоннели для четырех малогабаритных эскалаторов имеют овальное сечение, а их обделку собирают из стандартных чугунных тюбингов станционного тоннеля Dn = 9,5 м с добавлением двух ключевых тюбингов СК. и двух прокладок (рис. 492). Верх ферм располагают на 30 см ниже горизонтальной оси тоннеля. Фермы опираются на железобетонные балки (опоры), расположенные на блоках ЭП-4.
Пространство под блоками ЭП-4 может быть использовано для прокладки кабелей и, в случае необходимости, — как вентиляционный канал.
Для защиты эскалаторных тоннелей от случайно проникшей воды и для архитектурного оформления внутренней поверхности служат зон-
СС , CH
1023,7
Рис. 494. Поперечное сечение натяжной камеры для четырех эскалаторов
ты. Их материал, конструкция и способ крепления к обделке должны со-
ответствовать принятым для станционных тоннелей.
Натяжная камера служит для размещения натяжных устройств эскалаторов. Ее располагают в нижней части тоннеля эллипсовидной формы, обделка которого для трех эскалаторов малого габарита составлена из тюбингов кольца, имеющего наружный диаметр D„ = 8,5 м с добавлением ключевых тюбингов, позволяющих увеличить ширину и высоту тоннеля (рис. 493).
Фермы эскалаторов в пределах натяжной камеры опираются на монолитный бетон. В верхний слой этого бетона марки 200 толщиной 80 см заделывают болты, крепящие металлические фермы.
Платформа в пределах натяжной камеры—съемная и состоит из металлических плит, опирающихся на фермы; сверху она покрыта резиновым ковром.
Натяжная камера для размещения натяжных устройств четырех эскалаторов представляет собой тоннель эллипсовидного очертания с чугунной обделкой, собираемой из стандартных тюбингов D„ = 9,5 м, с таким использованием ключевых тюбингов и прокладок, чтобы получить тоннель большего поперечного сечения (рис. 494).
Длина натяжной камеры зависит от типа эскалатора. Для ЛТ-2 и ЛТ-3 она должна быть не менее 8,6 м, для ЛТ-4 — не менее 8,0 м и для ЛТ-5—6,4 — 7,0 м. Высота натяжной камеры, ее перекрытие и опирание ферм такие же, как и для трех эскалаторов (см. рис. 493).
Рассмотренные выше конструкции натяжных камер имеют обделку из чугунных тюбингов; их применяют на строительстве Московского метрополитена в неблагоприятных гидрогеологических условиях.
При расположении натяжных камер в более благоприятных условиях их обделка может быть выполнена из железобетонных блоков или из других современных материалов. Однако и в этом случае целесообразнее использовать стандартные элементы станционных обделок со вставками или прокладками.
Нижний оголовок наклонного эскалаторного тоннеля, выполнявшийся прежде из чугунных веерных и раструбных колец, в настоящее время имеет обделку из монолитного бетона с изоляцией (в случае необходимости) из металлических листов (см. рис. 493).
Глава 32
ПЕРЕСАДКИ НА ПОДЗЕМНЫХ СТАНЦИЯХ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
§ 133. СХЕМЫ ПЕРЕСАДОК
Существуют три схемы планировочного решения пересадок:
а) из торца одной станции в торец другой (рис. 495, а);
б) из центра одной станции в торец другой (рис. 495, б);
в) из центра одной станции в центр другой (рис. 495, в).
Применение той или иной схемы зависит от взаимного расположения станций, числа лестниц или эскалаторных тоннелей, связывающих станции с поверхностью земли, пассажирооборота станций и их конструктивного решения.
Пересадкам из торца одной станции в торец другой иногда отдают предпочтение потому, что они оказываются наиболее короткими. Применение пересадок из центра одной станции в торец другой диктуется чаще всего наличием двух эскалаторных тоннелей на одной из станций.
Основной недостаток пересадок из торца в торец или из торца в центр заключается в том, что на одной или даже на обеих станциях ликвидируется возможность устройства в будущем вторых эскалаторных входов. При совмещении пересадок в торцах станций с основными эскалаторами создаются перекрещивающиеся потоки пассажиров.
Пересадки из центра одной станции в центр другой удобны в эксплуатационном отношении, так как торцы станций освобождаются от пересаживаю
щихся пассажиров, что обеспечивает
а)
Рис. 495. Схемы планировочного решения пересадочных устройств
равномерное использование платформ и отсутствие перекрещивающихся пассажиропотоков у лестниц или эскалаторов.
На мелко заложенных станциях Берлинского метрополитена применяют так называемые башенные пересадки, требующие расположения станций одна над другой под прямым или близким к прямому углом.
На станциях советских метрополитенов применяют различные планировочные решения пересадок. Чаще всего встречается вариант пересадки из центра одной станции в центр! другой (см. рис. 495, в). Если запроектирована башенная пересадка (рис. 496), то для спуска с островной платформы верхней станции на островную платформу нижней станции обычно устраивают лестницы с промежуточной площадкой. При пересечении между собой станций с боковыми платформами лестницы устраивают в торцах платформ. Башенные пересадки возможны и в том случае, когда одна станция имеет островную платформу, а другая — две боковые.
Основной схемой планировочного решения пересадок на глубоко зало-
?-ic. 497. План переулки из торца одной станции в торец другой:
— радиальная станция верхняя); 2 — аванзал с нумя маршами лестниц;
— переходные коридоры -si путями станций; 4 — промежуточный весгн-
5 — эскалаторный ---мель (4 эскалатора); натяжная камера эска-
-4 торов; 7 —кольцевая станция (ннжняя)
Рис. 498. Схемы вертикальной планировки пересадочных устройств при расположении станций в одном уровне
Рис. 499. Схемы вертикальной планировки пересадочных устройств при расположении станций в разных уровнях
женных линиях Лондонского метрополитена является схема пересадки из торца одной станции в торец другой. Ближайшие торцы станций объединяются общим вестибюлем с эскалаторами. При этом верхний марш эскалаторов используется для подъема и спуска пассажиров на обе станции, нижний марш эскалаторов— для подъема и спуска пассажиров на нижнюю станцию и для пересадки между станциями. Недостатком такого решения является пересечение пассажиропотоков в промежуточном вестибюле у верхнего марша эскалаторов.
Пример пересадки из торца одной станции в торец другой на линии Московского метрополитена приведен на рис. 497.
Любое из трех приведенных выше решений пересадок может быть осуществлено различными приемами вертикальной планировки. При расположении станций в одном уровне планировка может быть верхняя (рис. 498, а) и нижняя (рис. 498, б); при расположении станций в разных уровнях—верхняя (рис. 499, а), комбинированная (рис. 499, б) и нижняя (рис. 499, в).
Башенная пересадка может быть отнесена к схеме комбинированной вертикальной планировки (см. рис. 499, б). Пересадки станций Лондонского метрополитена относятся к схеме верхней планировки (см. рис. 498, а и 499, а).
На линиях советских метрополитенов имеются примеры применения всех приведенных схем вертикальной планировки пересадок.
Недостатком схем верхней и нижней планировок является потерянный подъем: в первом случае на высоту 3,15 м, во втором — на высоту 5 м. При расположении станции в разных уровнях наилучшей схемой является комбинированная, не имеющая потерянного подъема. Наиболее экономично решение, когда разница в уровнях платформ двух станций, связанных пересадкой, представляет собой сумму минимальных высот между уровнем платформы и полом прохода под путями верхней станции и между уровнем перехода над путями и платформой нижней станции. Минимальная величина этой суммы составляет ~8 м.
§ 134. КОНСТРУКЦИИ ПЕРЕСАДОЧНЫХ ТОННЕЛЕЙ И ИХ ПЕРЕСЕЧЕНИЙ СО СТАНЦИЯМИ
Конструкции пересадочных тоннелей и их пересечений со станциями зависят главным образом от глубины заложения станций. При мелком заложении пересекающихся линий для пересадки между станциями, расположенными в одном уровне, их подземные вестибюли могут быть соединены тоннелем в торцах. Другим решением может быть такой же пересадочный тоннель, связывающий центры станций над или под путями. При расположении мелко заложенных станций в разных уровнях может быть применена башенная пересадка.
Конструкции пересадочного тоннеля, лестниц или эскалаторов аналогичны применяемым для связи станций мелкого заложения с поверхностью земли (см. главу 31).
Все рассмотренные выше схемы пересадок имеют одинаковые конструктивные узлы пересечения пересадочных тоннелей с глубоко заложенными
станциями.
Станции пилонного типа при примыкании к ним пересадочных тоннелей сверху позволяют использовать проходы между средним и боковым тоннелями для расположения лестниц, соединяющих платформу станции с мостиками над путями (рис. 500). Чаще всего для пересадки используют два прохода станции,
а в отдельных случаях — три.
Для возможности прохода пассажиров по мостикам обделку в верхней части одного из боковых тоннелей станции разбирают на ширину четырех или
пяти колец против каждого из тех станционных проходов, в которых размещают пересадочные лестницы. Кольца разбирают после того, как над ними сооружена обделка, перекрывающая переходные мостики над путями. Эта обделка из монолитного бетона или сборного железобетона имеет вид сводов и опирается на мощные бетонные или железобетонные арки, объемлющие кольца станционной обделки; она воспринимает ту часть горного давления, которая приходилась на разомкнутные кольца станционной обделки.
Пересадочный тоннель за пределами станции чаще всего имеет одно-
Рис. 501. Конструкция пересадочного коридора при глубоком заложении станций
-468
i_ a D
1410
Д-Д
пролетное сечение шириной 6—8 м, рассчитанное на двустороннее движение пассажиров. Его обделку монтируют из железобетонных блоков или чугунных тюбингов, опирающихся на бетонные опоры (рис. 501), или устраивают монолитной бетонной в зависимости от длины тоннеля и условий его заложения.
Переход от двух лестниц к такому тоннелю наиболее просто осуществляется в виде раструба (см. рис. 500). Переход от трех лестниц к пересадочному тоннелю требует сооружения специального аванзала, расположенного вдоль станции, к которому с одной стороны могли бы примкнуть три перехода от мостиков над путями, а с другой стороны — пересадочный тоннель.
Пересечение пересадочного тоннеля сверху со станциями колонного типа и односводчатыми приводит к сложному конструктивному решению узла и к нарушению целостности сводов станции, воспринимающих значительную нагрузку от горного давления. Поэтому для таких станций целесообразнее принимать верхнее примыкание пересадочных тоннелей к торцам.
Примыкание пересадочного тоннеля снизу может осуществляться к центру станций любой конструктивной формы, так как не требует разборки станционных обделок в наиболее ответственной верхней части. Такое примыкание неоднократно осуществляли на трехсводчатых станциях пилонного и колонного типов Московского метрополитена. Спуск с уровня платформы может происходить при помощи лестниц (рис. 502) или эскалаторов.
Глава 33
ОБЪЕДИНЕННЫЕ ПЕРЕСАДОЧНЫЕ СТАНЦИИ ПОДЗЕМНЫХ ЛИНИИ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
§ 135. СТАНЦИИ НА МЕЛКО ЗАЛОЖЕННЫХ ЛИНИЯХ
Наиболее удобной является пересадка в пределах одной объединенной станции, сооружение которой может быть осуществлено в две очереди.
Для расположения четырех путей в объеме одной станции возможны три варианта: в одном уровне, в два этажа (яруса) и промежуточный. Для станций на мелко заложенных линиях может быть выбрано расположение либо в одном уровне, либо промежуточное.
Расположение путей в одном уровне обеспечивает наибольшие удобства для пассажиров, так как улучшается связь пассажирских платформ (при их незначительном заглублении) с поверхностью. При этом в одном уровне могут быть расположены две островные платформы (см. рис. 412, г) или две боковые и одна островная платформа. Обе эти схемы дают почти одинаковую ширину станции в свету и могут иметь одинаковую четырехпролетную конструктивную форму.
Как в той, так и в другой схеме колонны могут быть расположены в междупутье и посередине островных платформ. Такое расположение колонн при четырехпролетной конструктивной форме станций дает равные пролеты, что имеет большое значение в случае применения сборных перекрытий.
Обе схемы расположения платформ равноценны в отношении их стоимости и конструктивного выполнения, однако по условиям эксплуатации схема с двумя островными платформами является лучшей. При этой схеме пересадка пассажиров в обеих направлениях наибольших пассажиропотоков может осуществляться простым переходом поперек платформы, что достигается соответствующим расположением путей.
Для пересадки в менее интенсивных направлениях могут быть использованы лестницы (эскалаторы) и мостики над путями, связывающие пассажирские платформы между собой в середине или торцах станции. С уровнем этих же мостиков, расположенных на высоте ~3,15 м над станционными платформами, может быть связана поверхность городских тротуаров.
В зависимости от глубины заложения станций связь пассажирских платформ с поверхностью осуществляется при помощи лестниц или эскалаторов.
Конструктивное выполнение объединенной пересадочной станции четырехпролетной конструктивной формы может быть совершенно аналогично трехпролетной станции обычного типа (рис. 503).
Рис. 503. Поперечное сечение объединенной пересадочной станнин мелкого заложения при расположении путей в одном уровне
Рис. 504. Поперечное сечение объединенной пересадочной станции мелкого заложения при промежуточном расположении путей
Вариант промежуточного расположения путей и платформ в объеме одной пересадочной станции (рис. 504), отличаясь меньшим (на 20%) объемом работ и меньшей (на 7,5 м) шириной котлована, создает почти такие же условия для пересадки, как и вариант расположения путей и платформ в одном уровне.
В обоих вариантах пассажиры, переходящие в направлениях менее интенсивных пассажиропотоков, будут пользоваться лестницами высотой 3,15 м. Однако промежуточное расположение путей и платформ обладает еще и тем преимуществом перед расположением в одном уровне, что пользующиеся лестницами пассажиры либо должны только подняться на высоту 3,15 м, либо только спуститься.
На мелко заложенных линиях сооружение объединенной пересадочной станции взамен двух обычно связанных между собой пересадочным устройством, имеет значительные эксплуатационные и экономические преимущества.
§ 136. СТАНЦИИ НА ГЛУБОКО ЗАЛОЖЕННЫХ ЛИНИЯХ
В отличие от станций на мелко заложенных линиях, для которых рекомендуется расположение всех четырех путей в одном уровне или промежуточное, для станций на глубоко заложенных линиях целесообразнее принимать либо двухэтажное, либо промежуточное расположение путей.
Расположение четырех путей в одном уровне в объеме одной станции при глубоком ее заложении и необходимости сооружения закрытым способом может привести к очень сложному конструктнвпому решению такой объединенной станции, трудно выполнимому закрытым- саасобом к по существу мало чем отличающемуся от двух параллельно расположенных нормальных станций.
При двухэтажном расположении путей может быть выбрана односводчатая конструктивная форма (см. рис. 413, б), а при промежуточном — трехсводчатая (см. рис. 414, б). В обоих случаях своды станций могут быть выполнены либо из сборных элементов (рис. 505), либо из монолитного бетона.
Опирание сводов может осуществляться (аналогично рекомендуемому для односводчатых станций) на бетонные опоры, сооружаемые в предварительно пройденных штольнях, или непосредственно на породу через опорные элементы.
Для сообщения между верхней и нижней платформами двухэтажной станции могут служить лестничные марши или эскалаторы облегченной конструкции (ЛП-6И).
При промежуточном расположении четырех путей схема их взаимного размещения должна быть аналогична рекомендуемой для двухэтажных станций, т. е. в одном уровне следует располагать пути разных направлений, а общая платформа должна связывать направления, имеющие наибольшие потоки пере-
Рис. 505. Поперечное сечение объединенной пересадочной станции глубокого заложения при промежуточном расположении путей
саживающихся пассажиров. Внутренние несущие конструкции трехсводчатых; станций могут быть выполнены из металла или железобетона в зависимости от действующей на них нагрузки.
Лоток станции в сухих и прочных породах представляет собой плиту, которую целесообразнее выполнять из монолитного бетона так же, как и вертикальные стены нижней части станции (см. рис. 505).
Для удобства пересадки пассажиров две верхние платформы должны быть связаны мостиками в третях длины станции. Лестницы, соединяющие верхние и нижнюю платформы, могут служить для пересадок по другим менее интенсивным направлениям.
Сообщение платформ объединенных пересадочных станций с поверхностью может осуществляться путем примыкания эскалаторов на один из трех различных уровней: на уровень верхней, нижней или промежуточной платформы (последняя делит высоту между верхней и нижней платформами пополам).
Применение объединенных пересадочных станций на глубоко заложенных линиях зависит от геологических и гидрогеологических условий и может быть-рекомендовано только для благоприятных условий, при которых станция или хотя бы ее основание заложены в прочных породах.
В слабых породах и при значительном гидростатическом давлении конструктивное решение объединенной станции и способ ее сооружения могут быть настолько сложными, что окажется экономичнее и проще сооружать две обычные станции с пересадкой между ними.
Глава 34
САНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
§ 137. ВЕНТИЛЯЦИЯ ЛИНИИ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
Общие сведения. Вентиляция линий метрополитенов необходима для поддержания предельно допустимых концентраций различных вредностей (пыли, углекислого и других газов), а также необходимой температуры и влажности
воздуха.
Как правило, на линиях метрополитенов применяют вентиляцию с искусственным побуждением и только в некоторых случаях — с естественным.
Вентиляция тоннелей с естественным побуждением происходит за счет поршневого действия поездов, а также за счет гравитационного напора, создаваемого разницей в температурах наружного и тоннельного воздуха.
Применение такой вентиляции допускается только для линий метрополитенов мелкого заложения в тех случаях, когда:
1) средняя температура самого холодного месяца t > 0° С;
2) максимальная расчетная температура наружного воздуха не более -24° С;
3) максимальная частота движения поездов не превосходит 24 пары в час;
4) имеется возможность (по условиям городской застройки) свободного расположения вентиляционных сооружений для забора и выпуска воздуха.
При вентиляции с искусственным побуждением вентиляционные установки располагают по одной на каждой станции и на каждом перегоне, как правило, в его середине, в отдельных -случаях на расстоянии не менее 1/3 длины пере-
гона от торца станции.
При небольшом расстоянии между станциями (не более 700 м) и в умеренном климате можно отказаться от вентиляционной установки на перегоне. В этом случае станционные вентиляционные установки работают одна на при-
ток, другая — на вытяжку.
Для метрополитенов тех городов, где средняя температура самого холодного месяца ниже 0° С, существуют два режима вентиляции с искусственным побуждением — зимний и летний.
В зимний период вентиляционные установки, расположенные на перегонах, работают на приток, а вентиляционные установки на станциях — на вытяжку (рис. 506, а). Таким образом, зимой на станции подается более теплый воздух (согревшийся тепловыделениями от оборудования) по сравнению с наружным. Летом вентиляционные установки на перегонах работают на вы-
тяжку, а станционные — на приток • рис. 506, б), т. е. в летний период на станнин, где имеется наибольшее число обслуживающего персонала, поступает свежий воздух.
Для метрополитенов городов со средней тем пературой самого холодного месяца выше 0° С воздух и зимой, п летом подается на станцию и вытягивается на перегоне или подается на одну станцию п вытягивается на другой.
Дл я вентиляции тоннелей метрополитенов используется обычный наружный город ской воздух без какой-либо его очистки. Воздух следует забирать по возможности из зеленых массивов города, парков, скверов, и только в крайних случаях
Станция Сбоина между Станция тоннеля ми
~ II Z Сбойка манду ‘ тоннелями
I_____
Станция
Рис. 506. Схемы вентиляции линий метрополитена: а — зимний режим; б — летний режим
воздухозаборные сооружения можно располагать на проезжих магистралях.
Для вентиляции производственных и служебных помещений на станциях и перегонах служат местные вентиляционные системы, оборудованные’вентиля-торами, работающими на приток и вытяжку. Воздух для этой цели забирается со станций или из перегонных тоннелей и предварительно очищается в противо-пыльных фильтрах. Выбрасывается воздух в перегонные тоннели (за станцией) по ходу движения поездов (воздух из аккумуляторных, душевых и санитарных узлов удаляется на поверхность).
Количество воздуха, которое требуется для вентиляции линии метрополитена, определяют расчетом, учитывая следующие вредности, поступающие в тоннели: тепловыделения, влаговыделения и выделения вредных газов. Как правило, при частоте движения поездов, превышающей 20 пар в час, лимитирующей вредностью являются тепловыделения. Обычно объем воздуха, полученный из расчета по тепловыделениям, достаточен для поглощения влаговыде-лений и разбавления вредных газов до допустимой концентрации.
Исключение могут составить лишь метрополитены тех городов, воздух которых имеет высокую относительную влажность (например, приморские города) и где частота движения поездов менее 20 пар в час. В этих редких случаях расчет должен удовлетворять условиям, при которых отсутствует конденсат на поверхности обделки.
Расчетную величину воздухообмена определяют для отдельных участков линии метрополитена длиной, соответствующей расстоянию между осями соседних станций, и для конечных тупиковых участков линии.
Приведенный ниже метод определения объема воздуха для метрополитенов разработан в отделе теплосантехники Метрогипротранса (В. Я. Цодиков).
Определение объема воздуха по теплоизбыткам. Теплоизбытки определяют как разность между тепловыделением в тоннелях и теплоуходом через обделку тоннелей в грунт. Теплота выделяется поездами, людьми, электроосвещением и различным электрическим оборудованием.
Количество тепла (ккал/ч), выделяемое поездами при их движении, определяется по формуле
Q1 = 2-864ncnD2V„/[£B + £nnn], (273)
где 2 — число путей;
864 — тепловой эквивалент 1 квт (1квт = 864 ккал/ч);
пс — среднечасовое (за время действия метрополитена) число пар поездов, движущихся по трассе (принимается 65% максимального);
пв — число вагонов в поезде;
Муд — удельный расход электроэнергии, затрачиваемый на движение поездов и потери в токоведущем рельсе, приведенный к 1 ткм. Эта величина зависит от характеристики трассы, конструкции вагонов, скорости и частоты движения поездов и может быть различной для каждого перегона. Допускается принимать Nya средним и равномерным на протяжении всей трассы проектируемой линии и ориентировочно равным от 0,042 до 0,055 (чем длиннее перегон и меньше его уклон, тем меньше значение Nya в связи с относительно меньшим влиянием торможения);
I — длина расчетного участка линии, км;
gB — масса одного вагона, равная 32 т для вагона типа Е;
ga — средняя масса одного пассажира — 0,07 т;
па — расчетное число пассажиров в одном вагоне, составляющее 20% максимального (170).
Количество тепла (ккал/ч), выделяемое людьми, определяется по формуле
Сг = ^п^оОщ> (274)
где gn — полное количество тепла, выделяемое одним человеком; принимается в зависимости от температуры окружающего воздуха от 128 до 150 ккал/ч (при t = 10° и ниже — 150; при t = 15° — 140 и при t = 20° и выше — 128);
«общ — число пассажиров, одновременно находящихся на станции и в поездах на перегоне, определяемое по формуле
2пс ПВПП I . Ппл ZCT /О-7Е\
«Общ =----------+ . (275)
v — средняя эксплуатационная скорость движения поездов по трассе данной линии, принимаемая ~ 50 км/ч;
zCT—время нахождения пассажиров на станции, принимаемое равным 3— 5 мин;
лпл — число пассажиров, находящихся одновременно на станционной платформе, но при этом расчетное число пассажиров в вагоне берется не максимальным, а средним за время действия метрополитена в течение суток (т. е. 20% от 170).
Количество тепла, выделяемое электроосвещением и оборудованием во время движения поездов, определяют по формуле
Q3 = 864 [2А7П (I - /ст) + NCT + Д/Об + Увснт]. (276)
В этой формуле принимают следующие мощности рабочего освещения: на 1 км однопутного перегонного тоннеля Д/п = 6 кВт и на станции NCT = = 80 ~ 120 кВт; стационарного оборудования на станции и оборудования связи Моб = 12 4- 16 кВт; вентиляционного оборудования на станции и перегоне Л/вент = 70 кВт.
Суммарное среднее часовое тепловыделение (ккал/ч) за время движения поездов составляет
<2ср = <21 + <2г4-<2з. (277)
В летний период года, когда температура воздуха, поступающего в тоннели, выше температуры окружающей их породы, тепло частично уходит в породу.
Чем ниже температура породы, тем больше тепла входит в нее. Поэтому следует стремиться поддерживать температуру породы неограниченно долго близкой к начальной естественной. Это достигается подачей в тоннели необходимого объема воздуха в холодный период года. •
Средний часовой уход тепла в породу (ккал/ч) определяют по формуле
<?п = ^(/в-/п), (278)
где F — внутренняя поверхность бетонных тоннелей или наружная поверхность чугунных, м2;
tB — расчетная температура воздуха в тоннелях за теплый период года;
/п — расчетная температура породы, ° С. (Значения tB и ta для главнейших городов СССР приведены в прил. 3 и 5 к книге В. Я- Цодикова);
kz — коэффициент теплопередачи при нестационарном тепловом режиме, ккал/м2 • ч • град.
Величина kz— переменная и изменяется во времени; точное определение это й величины учитывает расчетное время теплопоступлений в породу, матери ал и размеры тоннельных обделок, теплопроводность, теплоемкость и плотность породы, среднюю скорость движения воздуха в сечении тоннеля, а также толщину прогретого слоя породы к концу расчетного времени.
Формулы для определения kz и входящих в нее величин приведены в специальной литературе. Ориентировочные значения kz можно принимать в пределах от 0,5 до 0,7 ккал/м2 • ч • град. Первое значение, как правило, можно относить к тоннелям, заложенным в сухих породах, а второе — к тоннелям, находящимся в породах обводненных.
Количество избыточного тепла.
Qhs5 = Qcp Qn' (279)
Вследствие движения поездов в тоннелях возникает поршневое действие, увлекающее воздух по ходу движения поезда, а также циркуляционный поток тоннельного воздуха.
Воздух в тоннеле распределяется неравномерно, и эта неравномерность зависит от расположения вентиляционной установки, через которую подается наружный воздух. При расположении вентиляционной установки в середине перегона необходимое для вентиляции одного участка трассы количество воздуха (кг/ч) определяется по формуле
G-------. (280)
Г2Д/__0изб_1
L 2бц J
При расположении вентиляционной установки на расстоянии Г от оси станции для всего расчетного участка
G =--------Оизб-------1------Оизб----- (28 j у
2Д/--бц \ I ) бц I
В этих формулах:
Д/ = /кои—/нач — разность между конечным и начальным теплосодержанием вентиляционного воздуха; принимается по последней графе таблицы приложения 5;
Gu—циркуляционный поток, кг/ч, в тоннеле, зависящий от поперечного сечения тоннеля, скорости движения и состава поездов; определяется по формуле
Gu = 3600o0yFT; (282)
и0 — средняя скорость воздуха по сечению и длине тоннеля, которую ориентировочно можно принимать равной 2,5 м/с;
Гт — площадь поперечного сечения тоннеля, м2;
у — плотность воздуха, принимаемая равной 1,2 кг/м3.
Требуемый для вентиляции участка линии метрополитена объем воздуха (м3/ч) определяют по формуле
Квент = у. (283)
В тех случаях, когда полученный по формуле (283) объем воздуха будет менее 2,5—3-кратного воздухообмена, следует принимать его равным 2,5— 3-кратным внутреннему объему вентилируемых тоннелей.
В городах с жарким климатом вентиляцию тоннелей метрополитена осуществляют с охлаждением воздуха различными способами, изложенными в специальной литературе.
Для вентиляции метрополитенов применяют главным образом осевые реверсивные вентиляторы, отличающиеся компактностью и экономичностью. Наиболее совершенной является конструкция осевого двухступенчатого вентилятора типа ВОМД-24. Этот вентилятор имеет высокий к. п. д. (0,84 при прямом ходе), небольшие габариты и сниженную звуковую мощность по сравнению с другими типами вентиляторов.
Вентиляционные установки на перегонах состоят из киоска для забора и выброса воздуха, канала, соединяющего киоск с вентиляционной камерой (для мелко заложенной линии) или со стволом шахты (для глубоко заложенной линии), вентиляционной камеры, канала, соединяющего камеру вентиляторов с перегонным тоннелем (для мелко заложенной линии) (рис.507), и вентиляционного тоннеля, соединяющего ствол шахты с вентиляционной камерой и камеру с перегонными тоннелями (для глубоко заложенной линии) (рис. 508). 476
Рис. 507. Вентиляционная установка на перегоне мелко заложенной линии:
/ — перегонный тоннель; 2 — шумоглушительиые перегородки; 3— монтажные балки; 4 — вентиляторы; 5 — вентиляционный киоск
Все внутренние углы поворота в вентиляционном канале, тоннеле и стволе шахты должны быть скошены под 45°. Это значительно снижает сопротивление движению воздуха в этих местах.
В каналах, тоннелях и стволе шахты устанавливают шумоглушительные перегородки, собираемые из бетонных блоков специального изготовления. Каждая перегородка обычно состоит из двух стенок 6 = 18 см с воздушным пространством между ними, равным также 18 см.
Вентиляционный киоск для забора водуха представляет собой в плане сооружение шестигранной, восьмигранной или прямоугольной формы; размеры его зависят от объема воздуха, требуемого для вентиляции
Рис. 508. Вентиляционная установка на перегоне глубоко заложенной линии:
1 — перегонный тоннель; 2 — шумоглушнтельные перегородки; 3 — монтажные балки; 4 — вентиляторы; 5 — вентиляционный киоск
участка линии метрополитена. Конструкция отдельно стоящего вентиляционного киоска для линий метрополитена Москвы показана на рис. 509.
Вентиляционный киоск может быть встроенным в наземный вестибюле станции метрополитена или в какое-либо вновь сооружаемое общественное здание. Место расположения киоска и его внешнее оформление должны быта согласованы с районным архитектором города.
Вентиляционный киоск во всех своих гранях имеет проемы, низ которьп располагается на высоте не менее 2 м от поверхности земли.
Площадь проемов, закрытых жалюзийными решетками, определяют, принимая скорость движения воздуха в живом сечении не более 5 м/с. В вентиляционном киоске скорость движения воздуха не’должна превышать 7 м/с.
В киоске имеется металлическая дверь, ведущая в расположенный поз киоском и поверхностью земли вентиляционный канал.
Киоски современной конструкции собирают из готовых железобетонных элементов.
Верхний вентиляционный канал, соединяющий вентиляционный киоск с камерой для вентиляторов или со стволом шахты, имеет прямоугольное сечение, высота и ширина которого зависят от требующегося объема воздуха при скорости его движения не более 7 м/с.
Конструкция канала представляет собой обычную раму (см. рис. 507) из железобетонных элементов или монолитного железобетона. Длина канала оп
ределяется расположением киоска по отношению к перегонным тоннелям или к стволу шахты. Так как и расположение киоска, и расположение тоннелей или ствола шахты зависит от городской застройки, то длина канала может колебаться в довольно широких пределах. Опыт сооружения советских метрополи-
тенов показывает, что длина вентиляционных каналов находилась в пределах от 15 до 100 м и более.
Вентиляционные каналы изолируют от воды и в случае необходимости теплоизолируют. Гидроизоляция и теплоизоляция каналов такие же, как и для основных сооружений мелко заложенных линий метрополитена (см. § 119).
Для отвода воды из вентиляционного канала ему придают продольный
уклон не менее 0,005 в сторону перегона, а в полу при помощи тощего бетона создают поперечный уклон 0,01 от стен к сере-
дине и дренажный открытый канал сечением 10 х 5 см.
Вентиляционная камера при мелком заложении линий метрополитена имеет прямоугольное сечение с внутренними размерами 6,75 х 4,51 м; ее располагают под поверхностью земли с минимальной засыпкой. Длина вентиляционной камеры при'расположении в ней параллельно двух осевых вентиляторов составляет 14 — 15 м (см. рис. 507).
Вентиляционную камеру при глубоком заложении линии метрополитена располагают на близком расстоянии от ствола шахты в тоннеле Dr = 6 м. Это увеличенное сечение и длина тоннеля, в котором размещают вентиляционную камеру (см. рис. 508), обоснованы тем, что во время производства работ верхнюю часть тоннеля используют как электрокамеру, а нижнюю — как околоствольный двор Lствола шахты.
Обделка этого тоннеля в зависимости от геологических и гидрогеологических условий заложения может быть чугунной или железобетонной, но в обоих случаях должна состоять
Рис. 510. Поперечное сечение вентиляционного тоннеля с обделкой нз чугунных тюбингов
Рис. 511. Пересечение вентиляционного тоннеля с перегонным тоннелем
из стандартных элементов широко применяемых обделок (перегонных, эскалаторных или других).
Стволы вентиляционных шахт служат для вентиляции перегонных тоннелей. Так как эти стволы, как правило, используют для производственных целей, то их наружный диаметр принимают равным 5,5 или 6,0 м, а площадь поперечного сечения — больше чем требуется по расчету для вентиляции.
Площадь поперечного сечения ствола вентиляционной шахты назначают с учетом скорости движения воздуха 7—8 м/с. В тех случаях, когда ствол шахты не служит для производства работ, его сооружают только как вентиляционный; диаметр ствола соответственно может быть уменьшен.
Обделку стволов шахты можно собирать из чугунных тюбингов или железобетонных блоков сплошного или ребристого сечения в зависимости от гидрогеологических условий заложения шахт. Обделка из монолитного бетона для стволов шахт не рекомендуется ввиду усложнения условий производства работ. Стволы шахт оборудуют лестницами пожарного типа с промежуточными площадками через 6 м.
Ни жний вентиляционный тоннель при глубоком заложении линии метрополитена соединяет вентиляционную камеру с перегонными тоннелями. Площадь поперечного сечения этого тоннеля определяется исходя из скорости движения воздуха 7 — 8 м/с и обычно составляет 10—12 м2, что соответствует площади тоннеля круглого сечения диаметром 3,5—4,0 м. Обделку такого тоннеля можно собирать из чугунных тюбингов или железобетонных блоков; она может быть также монолитной бетонной.
Для вентиляционных узлов Московского метрополитена обделку таких тоннелей собирали либо из стандартных тюбингов обделки перегонного тоннеля Гн = 6 м с клиновидными прокладками, уменьшающими ее диаметр (рис. 510), либо из стандартных тюбингов обделки DR = 5,5 м. Такое же поперечное сечение и обделку имеют и вентиляционные сбойки между перегонными тоннелями.
При пересечении вентиляционного тоннеля и сбойки с перегонными тоннелями возникает необходимость раскрытия в последних проемов шириной 5 м и высотой до 4,5 м. Наиболее простое конструктивное решение этого узла (рис. 511) получают устройством опоры под среднее из пяти размыкаемых колец обделки. Давление от разомкнутой обделки на стойку передается через металлический вкладыш и металлические прокладки.
Когда среднее из пяти разомкнутых колец имеет надежную опору, то примыкан^щие к нему с обеих сторон два разомкнутых кольца могут не иметь никаких опор, так как за счет силы трения между кольцами нагрузки распределяются на крайние замкнутые кольца и среднее, имеющее опору.
Такое конструктивное решение этого узла имеет то преимущество перед другими возможными решениями (например, перед окаймляющей проем рамой), что оно довольно просто осуществимо и, кроме того, позволяет размыкать не все кольца сразу, а сначала одно среднее кольцо с опиранием его на стойку, а затем примыкающие к нему.
Создание специальных железобетонных блоков или чугунных тюбингов для обрамления вентиляционных проемов, устанавливаемых сразу при сооружении тоннелей, явилось бы идеальным решением этой задачи, но это нерационально и экономически невыгодно, так как число таких проемов невелико.
Вентиляционные установки на станциях метрополитенов могут иметь различные конструктивные решения в зависимости от глубины заложения станций и от того, используют ли в качестве вентиляционного канала ствол шахты или нижнюю часть наклонного эскалаторного тоннеля.
Для станций мелкого заложения вентиляционная установка состоит из киоска для забора воздуха, канала, соединяющего киоск в вентиляционной камерой, и вентиляционной камеры. Последнюю располагают в торце станции между параллельными перегонными тоннелями или в средней части раструба. В первом случае вентиляционная камера имеет ширину 8,2 м с одним рядом колонн посередине и параллельном расположении вентиляторов (рис. 512). Во втором случае ширина ее меняется приблизительно от 5,3 до 6,8 м и вентиляторы располагают последовательно.
Для станций, расположенных на глубоко заложенной линии, возможны два конструктивных решения вентиляционной установки. Первое, аналогичное вентиляционному узлу на перегоне, заключается в использовании для вентиляции ствола шахты. При помощи вентиляционного тоннеля ствол шахты соединяют сначала с вентиляционной камерой, а затем с подплатформенными каналами станции. Пересечение вентиляционного канала с перегонным тоннелем осуществляют сверху или снизу.
Второе решение предусматривает использование нижней части наклонного эскалаторного тоннеля в качестве вентиляционного канала. Забор воздуха при этом решении осуществляют двумя способами: через вентиляционный киоск или через жалюзи окон в стенах наземного вестибюля. Таким образом, сооружение отдельно стоящего вентиляционного киоска отпадает, а в объеме вестибюля предусматривают устройство специальных отсеков для забора воздуха. Эти отсеки соединяют с нижней частью эскалаторного тоннеля, выполняющей роль вентиляционного канала. Необходимую площадь поперечного сечения канала получают за счет вертикальной вставки в обделку эскалаторного тоннеля
Рис. 512. Вентиляционная установка на мелко заложенных станциях:
1—торец станции; 2 — шумоглушнтельные перегородки; 3 — монтажные балки; 4 — вентиляторы; 5 — вентиляционный канал, ведущий к киоску
Dn = 7,50 м (рис. 513). Скорость воздуха в таком канале увеличивается до 11 м/с.
Вентиляционную камеру располагают под наклонным эскалаторным тоннелем на уровне подплатформенных каналов станции, с которыми она соединяется. Основное преимущество такого вентиляционного узла заключается в том, что он может быть сдан в эксплуатацию одновременно со станцией. При использовании же ствола шахты сдача вентиляционного узла в эксплуатацию обычно задерживается из-за работ, связанных с окончанием строительства отдельных сооружений после сдачи линии в эксплуатацию.
Расположение вентиляторов в непосредственной близости от станции (при втором решении вентиляционного узла) заставляет принимать меры против шума. Несмотря на то что шум от новых вентиля-
А-А
Рис. 513. Вентиляционная установка на глубоко заложенных станциях:
/ — эскалаторный тоннель; 2— вентиляционный капал; 3—вентиляторы
торов значительно снижен, для его уменьшения в камере и ходках устанавливают шумоглушительные перегородки.
Вентиляция станций осуществляется через каналы, отверстия и решетки, расположение и форма которых зависят от конструктивного решения и архитектурного оформления станций. Так, например, на двух-, и трехпролетных станциях мелко заложенных линий метрополитенов воздух подводят к торцам станции и выпускают через отверстия в торцовых стенах над путями таким образом, чтобы он мог проталкиваться на станцию поршневым действием поездов. При этом подведенный к станции воздух должен быть разделен на два потока, направляемых к двум торцам станции, для чего может быть использовано пространство под платформой станции.
Вентиляция станций, расположенных на глубоко заложенных линиях, осуществляется в соответствии с их конструктивной формой. Односводчатые станции можно вентилировать либо через большие отверстия с решетками в торцах станции, где выпускается по половине всего объема воздуха, либо через отверстия в платформе, соединенные со специальными вентиляционными киосками. Такие киоски на платформе станции могут быть приспособлены для рекламных или торговых целей. Воздух на станцию всегда выпускают на высоте не менее 2 м от пола платформы.
Трехсводчатые станции пилонного типа имеют вентиляционные каналы под боковыми пассажирскими платформами. Из этих каналов воздух может поступать на станцию через отверстия в пилонах в пределах проемной части станции и в стенах в пределах ее глухих участков. В зависимости от архитектурного оформления воздух выходит на станцию либо за карнизами пилонов и стен, либо через отверстия, закрытые архитектурно оформленными решетками.
Вентиляция трехсводчатых станций колонного типа может осуществляться двумя способами. При первом способе используют каналы под платформой станции и воздух выпускают в закрытых для этого пролетах между колоннами. При втором способе воздух разделяют на два потока и так же, как и для односводчатых станций, выпускают в отверстия в торцовых стенах станции.
Скорость движения воздуха по каналам в пределах станции принимают равной 7—8 м/с, а при выпуске воздуха на станцию — не превышающей 5 м/с.
§ 138. ОТОПЛЕНИЕ, ВОДОСНАБЖЕНИЕ, ВОДООТЛИВ И КАНАЛИЗАЦИЯ ЛИНИЙ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
Отопление. На линиях метрополитенов в городах со средней температурой самого холодного месяца ниже 0° С применяют центральное водяное отопление, как правило, от городской теплофикационной сети и, как исключение, от специальной котельной. Водяное отопление используют только для наземных вестибюлей подземных станций. Входы и выходы этих вестибюлей оборудуют тепловыми воздушными завесами.
Служебные и производственные помещения станций, кассовые залы и служебные помещения вестибюлей наземных линий оборудуют электрическим отоплением.
Во время снегопадов производится подогрев лестничных маршей электрическими нагревателями ТЭН, расположенными под ступенями.
Водоснабжение линий метрополитенов осуществляется от городской водопроводной сети. В тоннелях перегонов и станций прокладывают тоннельный водопровод из стальных цельнотянутых труб 0 80 мм на стороне, противоположной контактному рельсу.
На каждой станции метрополитена имеется водопроводный ввод, отделенный от сети разделительными задвижками. Воду на линиях метрополитена используют для водоснабжения служебных помещений, мытья путевых тоннелей, платформ и полов, для противопожарных целей, для охлаждения воздуха машинных помещений, эскалаторов и т. п.
Станции, вестибюли, переходы имеют пожарные краны диаметром 50 мм при длине рукавов 20 м. Поливочные краны располагают в перегонных тоннеля?, (через 30 м), эскалаторных тоннелях и переходах (через 20 м) и в торцах станций
Специальные краны для мытья путей и платформ устанавливают через каждые 500 м в перегонных тоннелях и в конце каждой платформы на станциях
Водоотлив. В тоннели может поступать грунтовая вода, просачивающаяся через обделку (отдельные течи), вода из служебных и производственных помещений и от мытья станций и перегонных тоннелей. Для удаления воды самотеком предусматривают поперечные и продольные уклоны станционных платформ, полов вестибюлей и служебных помещений, коридоров и переходов и верхнегс строения пути.
На всем протяжении перегонных тоннелей с бетонным основанием путей гс оси пути устраивают открытую водоотводную канаву шириной 0,9 м и глубиной ~0,5 м; поверхности бетона придают поперечный уклон не менее 0,020 илз 0,025 и продольный — не менее 0,003.
Путь на балластном основании дренируют при помощи трех труб 0 200 мм или двух труб 0 300 мм, соединяющих колодцы в бетонном основании под балластом. Бетонный слой, подстилающий балластное основание, имеет поперечный уклон 0,03 к оси пути.
На станциях водоотводные лотки располагают под платформой и в путевс\ бетоне. Лотки имеют различное назначение (см. рис. 459). Так, открытый лоте? в путевом бетоне сечением 5 X 10 см, расположенный у наружных стен ста? ции, предназначен для сбора воды, поступающей из-за путевых стен станци; Водоотводный лоток под боковыми пассажирскими платформами служит дл' сбора воды, поступающей по чугунным трубам. 0 100 мм от приемных трапеь расположенных через 15—20 м на платформе станции и собирающих вод;-стекающую с пассажирских платформ при их мытье.
Рис. 514. Основная водоотливная установка па линиях метрополитена:
/ — железобетонная рама; 2 — гидроизоляция (стальной лист толщиной 8 мм); 3—монтажная балка; 4 — решетчатая дверь; 5 —люки; 6 — ходок к буровой скважине;
7 — отверстия 0 40 мм
Для стока воды от мытья служебных помещений, расположенных под платформой станции, служат водоотводные лотки под полом или в полу служебных помещений и коридоров. Такие же лотки предусматривают и в каналах различного рода. Водоотводные лотки, расположенные вдоль подплатформенных стенок в боковых тоннелях, предназначены для пропуска дренажной воды, поступающей с перегона в тех случаях, когда станция расположена «в яме» или на одностороннем едином уклоне с примыкающим к ней перегонным тоннелем.
Вестибюли, эскалаторные тоннели, переходы, пристанционные и притон-нельные сооружения также имеют водоотводные лотки или трубы. Собираемая всеми лотками и трубами вода поступает в водоприемники водоотливных установок (перекачек), имеющихся на линиях метрополитенов. Эти установки бывают трех типов: основные, транзитные и местные.
Основные водоотливные установки располагаются в пониженных местах перегонных тоннелей; они собирают воду с участка линий метрополитена длиной не более 3 км и откачивают ее в систему городских водостоков. Транзитные (перехватывающие воду) водоотливные установки предусматривают в местах, где расстояние между основными водоотливными установками превышает установленную норму; эти установки перекачивают воду также в городскую сеть. Местные водоотливные установки, имеющиеся во всех пониженных точках трассы, перекачивают воду в лотки перегонных тоннелей (за исключением установок, расположенных на линиях мелкого заложения, которые перекачивают воду в городской водосток). Местные установки, как правило, имеются на станциях и в конце тупиковых тоннелей со смотровыми канавами.
Основные и транзитные водоотливные установки на глубоко заложенных линиях резмещают в самостоятельных сооружениях, представляющих собой тоннели овальной формы ( рис. 514), располагаемые между двумя однопутными тоннелями или сбоку. Помещения этих установок располагают в два этажа: на верхнем размещают насосы, на нижнем — две камеры водосборников, рабочей емкостью для основных перекачек от 15 д 30 м3, для транзитных — 15 м3. Аварийная емкость перекачек должна быть соответственно 70 и 40 м3. При наличии двух камер водосборника очистка одной из них может выполняться без перерыва работы установки.
Местные перекачки на станции располагают под платформой среднего зала, вблизи натяжных камер эскалаторов или в отдельных выработках, связанных с вентиляционной камерой; такие перекачки имеют водосборники емкостью не менее 4 м3.
Основные перекачки оборудуют тремя насосами — рабочим, резервным и находящимся в ремонте; каждый из них предусматривают на полный расчетный расход воды. Производительность вертикального насоса 100 м3/ч, горизонтального — до 150 м3/ч.
Насосы включаются и выключаются автоматически: первым при определенном уровне воды включается рабочий насос, потом, если уровень воды повышается до предела, поплавковое реле включает в работу резервный насос. Вода из водосборника по напорному трубопроводу подается в специальный контрольный колодец, расположенный под поверхностью земли, а из него самотеком поступает в городской водосток.
Канализация. На станциях и в вестибюлях подземных и наземных линий метрополитенов, а также в тупиках, депо и мастерских оборудуют санузлы для обслуживающего персонала.
Канализационная жидкость от санузлов, расположенных в тоннелях, откачивается в городскую канализацию автоматически действующим насосом из фекальных камер, расположенных под санузлом.
При глубоком заложении тоннелей напорные трубопроводы 0100 мм располагают внутри обсадных труб 0 300 мм, являющихся стенками скважин. Пространство между обсадной и канализационной трубами используют для вентиляции санузлов. При мелком заложении тоннелей напорные трубопроводы от фекальных насосных установок проклад'ывают без скважины.
Глава 35
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
§ 139. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ
Электроснабжение метрополитенов осуществляется от городских электростанций или подстанций. Электроэнергия, поступающая от источников электроснабжения в виде трехфазного переменного тока напряжением 6—10 кВ, преобразуется при помощи тяговых и понизительных подстанций в электрический ток более низких напряжений и подается к потребителям, расположенным на линиях метрополитенов.
Электроэнергия используется для электропоездов и собственных нужд метрополитена: эскалаторов, электрического освещения, санитарно-технических установок, устройств СЦБ и связи и установок для ремонтных и бытовых целей.
Движение электропоездов осуществляется при помощи тяговых двигателей постоянного тока. Последние получают электроэнергию от контактной (тяговой) сети, питание которой производится постоянным током напряжением от 600 до 1500 В.
Метрополитены большинства зарубежных городов используют постоянный ток напряжением 600 В. Метрополитены Берлина, Гамбурга, Осаки пользуются постоянным током напряжением 750 В.
На метрополитенах Советского Союза применяется постоянный ток напряжением 825 В. Постоянный ток напряжением 1200 и 1500 В используется на метрополитенах Барселоны, Рима, Сиднея, на некоторых линиях метрополитенов Буэнос-Айреса и Гамбурга.
Движение эскалаторов со скоростью 0,75 — 1 0 м/с происходит при помощи электродвигателей главных приводов. Во время ремонта эскалаторов для их движения малой скоростью используют электродвигатели малого привода. Эскалаторы оборудованы электрическими тормозами и аппаратурой управления.
К электроприводам эскалаторов и санитарно-технических установок подводится переменный ток напряжением 380, 220/127 В. Для освещения тоннелей метрополитенов лампами накаливания и люминесцентными лампами применяется переменный ток напряжением 220/127 В. Устройства СЦБ и связи, обеспечивающие пропускную способность линии и безопасность движения поездов, потребляют электроэнергию переменного тока напряжением 380 или 127 В. Установки для ремонтных и бытовых целей питаются от электросетей различного напряжения в зависимости от технических характеристик установок.
Все перечисленные выше потребители питаются электроэнергией от системы электроснабжения метрополитена, в которую входят:
1) кабельная сеть переменного тока напряжением 6—10 кВ, предназначенная для передачи электроэнергии от источников питания к подстанциям метрополитена;
2) тяговые подстанции, служащие для преобразования переменного тока высокого напряжения (6—10 кВ) в постоянный ток напряжением 600—1500 В;
3) электротяговая сеть постоянного тока, предназначенная для передачи электроэнергии от тяговых подстанций к поездам метрополитена;
4) распределительная кабельная сеть переменного тока напряжением 6— 10 кВ, которая служит для передачи электроэнергии от тяговых к понизительным подстанциям;
5) понизительные подстанции, преобразующие ток высокого напряжения в переменный ток низких напряжений (380 и 220/127 В);
16В Зак. 1207 485
6) распределительная сеть переменного тока напряжением 380 и 220/127 В, служащая для передачи электроэнергии от понизительных подстанций к по* требителям.
Существуют две системы электроснабжения метрополитенов — централизованная и децентрализованная.
Централизованная система питания электроэнергией заключается в том, что тяговые подстанции располагают на поверхности вдоль линии метрополитена (возле стволов шахт) на расстоянии одна от другой, зависящем от тяговых нагрузок. Понизительные подстанции размещают у станций метрополитенов, на которых сосредоточено большое число потребителей электроэнергии.
Децентрализованная система электроснабжения линий метрополитенов отличается большим числом тяговых подстанций, располагаемых вместе с понизительными подстанциями возле станций метрополитена. Так образуются совмещенные тягово-понизительные подстанции (СТП), питающие и поезда метрополитена, и все его электроустановки.
Децентрализованная система электроснабжения имеет следующие достоинства: 1) значительное сокращение длины высоковольтной кабельной сети, так как отпадает необходимость в высоковольтных линиях между тяговой и понизительными подстанциями; 2) значительное сокращение длины электротяговой сети постоянного тока, идущей от тяговых подстанций; 3) снижение потерь напряжения в тяговой сети; 4) уменьшение блуждающих токов.
В последнее время на метрополитенах Советского Союза применяется в основном децентрализованная система электроснабжения.
§ 140. КОНТАКТНЫЙ (ТРЕТИЙ) РЕЛЬС
Токоприемным устройством для питания поездов электроэнергией может служить либо воздушный контактный провод, либо контактный (третий) рельс. Последний используется для питания поездов на метрополитенах Советского Союза, США, Англии, Франции и других стран.
Применение для питания поездов метрополитена третьего рельса вместо воздушного контактного провода позволяет значительно снизить высоту тоннелей.
Для метрополитенов Советского Союза третий рельс изготовляют из малоуглеродистой (содержание углерода 0,05%) мартеновской стали высокой электропроводности, имеющей удельное сопротивление 0,12—0,13 ом • мм2/м.
Рельс крепят при помощи кронштейнов (рис. 515), устанавливаемых на расстоянии, не превышающем 5,5 м. В местах крепления контактного рельса применяют фарфоровые изоляторы.
Рис. о15. Схема питания электроэнергией контактного (третьего) рельса: 1 — тяговая подстанция; 2 — ртутный или кремниевый выпрямитель; 3— кабели, питающий третий рельс; 4— шины постоянного тока 825 В; 5 — обратный кабель от ходовых рельсов; 6 — трансформатор: 7 — шины высокого напряжения; 8 — кабель; 9 — электростанция; 10 — третий рельс; 11 — ходовой рельс; 12 — дренажный лоток
Токоснимание может быть верхним, нижним и боковым. Это зависит от того, каким образом токоприемники вагонов электропоездов будут прикасаться к контактному (третьему) рельсу — сверху, снизу или сбоку.
Нижнее токоснимание, применяющееся на метрополитенах Советского Союза, является наиболее безопасным, так как при этом имеется возможность покрыть контактный рельс сверху защитным коробом. Короб может быть деревянным или из другого изолирующего материала. Низ короба не доходит до уровня контактной поверхности на 23 мм.
Токоприемники вагонов во время движения поезда скользят по третьему рельсу и прижимаются к нему с силой 25 кгс, обеспечивая постоянный контакт.
Третий рельс, как правило, размещают с левой по ходу движения поездов стороны, и только в местах расположения стрелочных переводов и перекрестных съездов он может находиться с правой стороны. Разрывы между участками третьего рельса устраивают в местах расположения устройств СЦБ и на стрелочных переводах. В местах разрывов участки контактного рельса соединяют между собой отрезками кабелей.
Контактный рельс каждого пути линии метрополитена делят на участки (секции) с таким расчетом, чтобы иметь возможность отключить любой участок контактного рельса в случаях повреждений или ремонта. Такое разделение контактной сети называется секционированием. Разрывы контактной сети устраивают в местах присоединения питающих линий. Величину разрывов между секциями назначают несколько большей, чем расстояние между двумя токоприемниками одного вагона или секции поезда.
Питание третьего рельса электроэнергией осуществляется при помощи кабелей, идущих- от шин постоянного тока тяговых подстанций. Обратными проводами являются ходовые рельсы, от которых электрический ток по кабелям возвращается к шинам тяговых подстанций (см. рис. 515).
§ 141. ПОДСТАНЦИИ
Наземные тяговые подстанции при централизованной системе электроснабжения метрополитенов представляют собой здания городского типа. На тяговых подстанциях размещают трансформаторы необходимой мощности, преобразующие электрический ток высокого напряжения в ток более низкого напряжения; кремниевые выпрямители, при помощи которых переменный ток превращается в постоянный (выпрямленный), и шины высокого напряжения, распределяющие ток высокого напряжения между понизительными подстанциями.
Электроэнергия передается от центров энергосистемы города к тяговым подстанциям по высоковольтным линиям. Для гарантии бесперебойной работы тяговых подстанций электрический ток подводится к ним по двум параллельным линиям и, кроме того, между двумя соседними тяговыми подстанциями устраивают кабельную перемычку, несущую нагрузку только при прекращении питания тяговой подстанции по основным линиям.
Подземные понизительные подстанции при централизованной системе энергоснабжения располагают возле станций метрополитенов. Каждая понизительная подстанция состоит из двух работающих независимо друг от друга секций. В состав секции входят силовой и осветительный трансформаторы, а часто и трансформатор для нужд автоблокировки. Их мощность выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить электроэнергией все силовые установки и освещение участка линии, обслуживаемого данной подстанцией.
Обычно работают трансформаторы обеих секций, и каждая группа трансформаторов имеет лишь половину полной нагрузки. Таким образом гарантируется бесперебойная работа линии метрополитена в случае выхода из строя одного из трансформаторов.
Рис. 516. Размещение
СТП в тоннеле прямоугольного сечения
5-5 Г-Г
1 1 Z I
Снабжение электроэнергией понизительных подстанций производится по двум высоковольтным линиям, идущим к каждой из секций понизительных подстанций от разных тяговых подстанций.
Как уже указывалось, при децентрализованной системе электропитания линий метрополитена тяговую и понизительные подстанции совмещают и располагают в местах сосредоточения основных потребителей электроэнергии, т. е. возле станций метрополитена.
Совмещенные тягово-понизительные подстанции (СТП) располагают при мелком заложении линии метрополитена за станциями в средней части тоннеля прямоугольного сечения (рис. 516), при глубоком заложении линии — чаще всего под наклонным эскалаторным тоннелем станции в тоннеле кругового очертания диаметром 9,5 или 8,5 м (рис. 517).
На метрополитенах Советского Союза во многих случаях СТП расположены в тоннеле, являющемся продолжением среднего тоннеля станции. При узком междупутье линий глубокого заложения возможно расположение подстанций с внешней стороны одного из тоннелей.
Внутреннее пространство тоннеля подстанций состоит из двух или трех этажей по всей длине тоннеля, кроме участка длиной 15—20 м, где размещают основные трансформаторы (рис. 518). Каждый из трансформаторов располагают в отдельной кабине, образованной железобетонными перегородками с металлической дверью, ширина которой позволяет выкатить трансформатор. Средняя часть этого помещения (длиной 15—20 м) служит мастерской, где может быть произведен мелкий ремонт трансформаторов.
Рис. 517. Размещение СТП в тоннеле круглого сечения: Б—'Б — помещение высоковольтных распределительных устройств; В—В — помещение щитовой; Г—Г н Д—Д — помещение трансформаторной; / — зонт; 2 — вентиляционная камера; 3— канал; 4 — трансформатор; 5 — воздуховод; 6 — вентиляционные н кабельные каналы
в-в
Рис. 518. Продольный разрез н планы СТП на мелко заложенной линии:
/ — аккумуляторная; 2 — щитовая; 3 — трансформаторная; 4 — вентиляционная камера; 5 — распределительные устройства
Этажи СТП соединяют двумя лестницами, одна из которых расположена в ближайшем к станции метрополитена торце СТП, а другая — примерно в середине ее длины.
Как правило, СТП соединяется с платформой станции удобным проходом и, лишь как исключение, — служебным ходком, выходящим в перегонный тоннель вблизи станции. Кроме ходка для выкатки трансформаторов и служебного, СТП имеет еще один или два ходка, связывающих ее с перегонными тоннелями, для прокладки в них кабелей.
На метрополитенах Советского Союза до сих пор применяли масляные трансформаторы, располагаемые в отдельных кабинах с ямами для стекающего масла (см. рис. 517, разрез Г — Г), с устройствами для вентиляции и противопожарными.
В связи с переходом на сухие трансформаторы помещение для них на СТП несколько видоизменится: отпадут отдельные кабины, ямы и каналы для вентиляции, а также противопожарные и подъемные устройства. По своей рабочей мощности сухие трансформаторы будут на 50% больше, что обеспечит движение на линиях метрополитенов 48—50 пар восьмивагонных поездов в час.
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НАЗЕМНЫХ И НАДЗЕМНЫХ УЧАСТКОВ ЛИНИЙ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
§ 142. НАЗЕМНЫЕ УЧАСТКИ
Наземные участки линий метрополитенов располагают вдоль существующих пригородных железных дорог и в районах новой застройки (на окраинах города), где есть возможность выделить полосу, ось которой удалена от жилой застройки на расстояние не менее 60 м.
Пути метрополитена наземных участков укладывают на щебеночном балласте толщиной под шпалой не менее 25 см (рис. 519). В выемке с обеих сторон устраивают водоотводные лотки, в стенках которых предусматривают отверстия для стекающей с откосов выемки и просачивающейся через балласт воды. Лотки, собираемые из железобетонных секций, укладывают в траншеи на песчаную подготовку и сверху перекрывают железобетонными плитами.
Наземный участок линии метрополитена ограждают с двух сторон забором, который состоит из железобетонных столбов, располагаемых через 2,5 м, и закладываемых между ними панелей.
Станции наземных линий имеют боковые или островные платформы, защищаемые, как правило, навесами; при благоприятных климатических условиях навесы можно не устраивать.
Ширину островных платформ принимают равной 8 или 10 м в зависимости от интенсивности пассажиропотоков; ширину боковых платформ -не менее 4 м.
Навесы над боковыми платформами станций (рис. 520) собирают из железобетонных элементов, основными из которых являются стойки, расположенные с шагом 3,0 — 3,5 м. Стойки опираются на отдельные фундаменты и поддерживают консоли. Стыки между стойками и консолями осуществляются сваркой металлических закладных планок и заливкой цементно-песчаным раствором.
Навес покрывают асбошифером, укладываемым на продольные железобетонные балки. Боковые стены навеса устраивают из железобетонных плит, закладываемых в пазы стоек (см. рис. 520).
Навесы над островными платформами наземных станций (рис. 521) собирают также из железобетонных элементов: колонн, опирающихся на башмаки, продольных прогонов и консольных ребристых плит. Консольные плиты соединяют между собой и с прогоном сваркой закладных соединительных планок и заливкой стыков цементно-песчаным раствором. Для станций с островными платформами принят другой вариант устройства кровли, состоящей из трех слоев руберойда, наклеиваемых на цементно-песчаный слой, уложенный с уклоном от краев к середине навеса. Попадающая на кровлю навеса вода отводится трубами в дренажный лоток под платформой или в кюветы выемки.
Конструкция пассажирских платформ состоит из однопролетных с консолями ребристых блоков шириной 1,0— 1,5 м, опирающихся на продольные железобетонные балки сечением 20 X 40 см. Опорами для балок служат с одной стороны консоли стоек или колонн навеса, а с другой — подплатформенные
Рис. 519. Путь метрополитена па наземных участках
1 — водоотводящая асбестоцементная труба 0 200 мм с отверстиями; 2 —гравийный дренаж; 3 — речной песок; 4 — горный песок; 5 — глиняный замок; 6 — одерновка; 7 — асбошифер; 8 —отмостка из камня; 9 — песок
Рнс. 521. Навес иад островной платформой наземных станций
колонны. Пространство под платформами наземных станций используют для । прокладки кабелей.
Для сообщения станционных платформ с поверхностью в торцах станций , или в их середине над путями устраивают переходные мостики с лестницами и на- -земные вестибюли. Имеются примеры устройства лестниц, ведущих вниз, для прохода под путями, в середине платформы. Выбор того или другого решения | зависит от расположения наземных станций по отношению к городской застройке.
§ 143. НАДЗЕМНЫЕ УЧАСТКИ
Как уже указывалось выше, надземные участки линий метрополитенов устраивают на ограниченном протяжении — при пересечениях рек, автодорож-' ных и железнодорожных магистралей при сложном рельефе местности. Пути метрополитена в этих случаях прокладывают на мостах или эстакадах. Мосты, как правило, проектируют для комбинированного движения по ним транспорта ' нескольких видов, но они могут быть предназначены только для путей метрополитена. Их конструкции ничем не отличаются от обычньГх железнодорожных1 или автодорожных мостов.
Эстакады, как правило, служат только для путей метрополитена; их кон-, струкции состоят из металлических или железобетонных опор, располагаемых с шагом от 10 до 25 м. Пролеты между опорами перекрывают железобетонными1 или металлическими балками или фермами, низ которых располагают на высоте1 не менее 4 м от поверхности. Конструкция эстакады Московского метрополитена, состоящая из стоек, ригелей и балок, приведена на рис. 522.
В редких случаях оказывается необходимым расположить станцию в пределах надземных участков линии метрополитена. На метрополитенах Советского Союза имеются два таких случая: в нижнем ярусе моста, показанном на рис. 523 в полусечениях, и на эстакаде. В обоих случаях в торцах станций располагают наземные вестибюли, связанные с платформами станций: в первом случае — эскалаторами, а во втором — лестницами.
l 522. Кон-:узлия Эстале Москов-:-з метрополитена
СООРУЖЕНИЕ ТОННЕЛЕЙ И СТАНЦИЙ МЕТРОПОЛИТЕНОВ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ
§ 144. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Открытый способ работ, при котором вскрывают поверхность земли, применяют при мелком заложении линий метрополитенов. Открытым спосоооу на линиях мелкого заложения сооружают перегонные тоннели (однопутные или двухпутные), станции, раструбы, камеры съездов, тупики и все притоннель-ные и пристанционные сооружения (вентиляционные камеры и каналы, перекачки, совмещенные тягово-понизительные подстанции и др.).
При сооружении тоннелей открытым способом, могут быть применены три способа работ — котлованный, траншейный и щитовой.
Котлованным принято называть такой способ работ, при котором возводимое сооружение опирается на дно предварительно разработанного котлована, после чего котлован засыпают.
Стены котлована могут быть с откосами или вертикальные, поддерживаемые временной крепью. Котлован с откосами может быть применен только на незастроенном или малозастроенном участке города или на очень широких улицах при наличии плотных грунтов. Широкий котлован выгодно отрывать с откосами, чтобы избежать большого расхода материалов на крепление стен При большой глубине котлованов иногда верхнюю часть их отрывают с откосами, а нижнюю—с вертикальными стенами. Угол откоса котлованов зависит от характеристики грунта, и его принимают не более угла естественног? откоса.
Крепление котлованов с вертикальными стенами выполняют одним из следующих способов: металлическими сваями со сплошной дощатой затяжкой, шпунтовым ограждением, замораживанием грунтов, анкерами.
Траншейный способ применяют в тех случаях, когда линия мелкого заложения проходит под сравнительно узкой улицей или вблизи от зданий и когда время перерыва движения городского транспорта должно быть максимально сокращено. Этот способ заключается в том, что в первую очередь сооружают стены тоннеля в узких траншеях, а затем вскрывают поверхность на всю ширину и на небольшую глубину и быстро сооружают перекрытие, опирающееся на готовые стены. Оставленное ядро выбирают позже под защитой перекрытия.
Щитовой способ предназначается для сооружения перегонных тоннелей мелко заложенных линий с цельносекционной обделкой при помощи комплекса оборудования, состоящего из проходческого щита прямоугольного сечения, технологической платформы, механизмов для выемки грунта и козлового крана.
§ 145. КОТЛОВАННЫЙ СПОСОБ
Крепление котлованов металлическими сваями. Наиболее распространено временное крепление вертикальных стен котлована металлическими сваями (рис. 524).
Металлические сваи представляют собой двутавровые балки № 36 — 60, погружаемые вдоль котлована на расстоянии 0,9— 1,2 м одна от другой. Профиль двутавровых балок зависит от ширины и глубины котлована и числа рядов распорок (расстрелов) между ними; наибольшее применение имеют двутавры № 40—55.
Ширину котлована принимают на 30—50 см больше ширины возводимого сооружения на случай отклонения свай при их забивке и для того, чтобы при выдергивании свай не повредить обделку тоннеля. При сборных обделках пол-494
гэе уширение котлована может дохо-.зтъ и до 2,2 — 2,4 м по условию . ггройства гидроизоляции.
Доски закладывают за полки гзутавров по мере углубления кот-*ована. Каждый последующий ряд зэсок подводят снизу, плотно прижигают к грунту при помощи клиньев, вгоняемых между доской и полками двутавров. Сваи распирают одним зли двумя рядами расстрелов в зависимости от глубины котлована' и интенсивности бокового давления. Для котлованов глубиной до 10 м, в которых может быть возведено подавляющее большинство сооружений мелко заложенной линии метрополи-*ена, при благоприятных условиях может быть поставлен один ряд рас-лрелов. При глубине котлована 4— 5 м возможно применение свай консольного типа.
В котлованах глубиной более 10 м ставят два ряда расстрелов. При втом нижний ряд съемных расстре-:ов устанавливают на высоте не ме-:-:ее 30 см от верха лотковой плиты, чтобы обеспечить возможность ее укладки или бетонирования; с этой же целью верхний ряд расстрелов устанавливают на высоте 50 см от
зерха перекрытия. п со. ..
Расстрелы могут быть деревянные Рис- 52< Крепление котлована
(из двух соединенных между собой бре-
вен 0 20 — 30 см) или металлические различных сечений: швеллерные состоящие из двух швеллеров №30 или 40 с накладками из листов через 0,8— 1,2 м; трубчатые 0 15—20 см или в редких случаях в виде сквозных ферм. Наибольшее применение имеют металлические расстрелы, употребляемые для котлованов шириной от 6 до 20 м.
В местах опирания расстрелов к сваям прикрепляют продольные пояса из швеллеров № 24 или 26 для распределения усилий.
На одном или обоих концах расстрел имеет выдвижные части длиной 1,7 м
из двух швеллеров, которые служат для раскрепления его на сваи посредством металлических клиньев и вкладышей.
Боковое давление грунта, воспринимаемое промежуточными сваями, передается на подкосы, имеющиеся по концам расстрелов (см. рис. 524).
Расстояние между расстрелами в продольном направлении составляет обычно от 3,6 до 4,5 м, но может быть увеличено до 6 и даже 10 м при условии усиления продольных поясов.
Если ширина котлована превышает 20 м, можно применять дополнительные ряды свай и комбинированное крепление, состоящее из металлических и деревянных расстрелов (рис. 525).
При сооружении тоннелей в котлованах обычно применяют следующий порядок производства работ. По длине сооружаемого участка по обеим сторонам котлована проходят разведочные траншеи шириной 0,8 м и глубиной 1,2 м. Назначение этих разведочных траншей заключается в уточнении расположения подземных городских коммуникаций и облегчении забивки свай, так как сваи забивают в грунт из этих траншей.
Сваи погружают до необходимой глубины, превышающей глубину котлована на 3—5 м, вибраторами или молотами, усыновленными на копрах, передвигающихся вдоль котлована по специально уложенным путям. Погружение свай на глубину 12—14 м ведет бригада из 4—5 чел. Производительность такой бригады —от 8 до 12 свай в смену. Если расчетная длина свай превышает стандартную, их выполняют сварными из нескольких стандартных секций.
Котлован глубиной до 10 м разрабатывают в два захода (рис. 526). Первую заходку делают на глубину не более 4 м с разработкой в средней части котлована траншеи глубиной 2,5 м для пропуска экскаватора под расстрелам;: (рис. 527). Грунт первой заходки разрабатывают драглайном. Вторую заходку до полной глубины котлована разрабатывают экскаватором (прямая лопата! или грейфером.
Наиболее целесообразно применять для разработки котлована экскаваторы универсального типа, которые можно использьвать как механические лопаты, драглайны и краны.
При наличии воды применяют искусственное водопонижение.
Крепление стен котлована ведут одновременно с разработкой грунта. За полки двутавров заводят доски и расклинивают их. После разработки котлована до отметки расстрелов верхнего ряда устанавливают продольную связь между сваями в виде поясов из швеллеров. Затем краном опускают расстрелы, устанавливаемые на каждую третью сваю.
Для разработки грунта второй заходки делают съезд для автомашин с уклоном до 0,01 (см. рис. 526), по которому опускают экскаваторы и автомашины. Вслед за разработкой котлована сооружают обделку с одновременным выполнением гидроизоляционных работ.
Обделки из монолитного бетона или железобетона сооружают в три приема: сначала делают лоток, затем стены и перекрытие. Бетон подают краном в ковшах по деревянным лоткам или металлическому шарнирному желобу; при этом используют инвентарную подвижную опалубку. Элементы сборных обделок укладывают козловым или стреловым краном. .
После сооружения тоннеля ведут обратную засыпку котлована грунтом, выдаваемым из котлована на головных участках.
Зазор между тоннелями и креплением котлована засыпают песком слоями 30—50 см; каждый слой поливают водой и утрамбовывают. Сваи вытаскивают приспособенным для этой цели самоходным краном.
Рис. 526. Схема производства земляных работ в котловане
Заключйтельной работой является планировка строительной площадки, снос временных сооружений и асфальтирование поверхности.
Крепление котлованов стальным шпунтовым ограждением целесообразно при сооружении тоннелей в водонасыщенных и не отдающих воду породах, имеющих в основании водоупорный слой. Расположение крупных зданий на призме обрушения также вызывает необходимость применения шпунтового ограждения, как более надежного против осадок зданий. Необходимая жесткость крепи обеспечивается постановкой дополнительных расстрелов.
Наиболее удачной конструкцией являются шпунты корытообразного профиля Ларсен III, IV и V со следующими характеристиками:
профиля, мм профиля, мм тивлеиня, сл
400 290 1600
410 360 2200
420 344 2962
Порядок производства работ при сооружении тоннелей мелкого заложения с применением стального шпунта остается таким же, как и при креплении котлована сваями. После сооружения тоннеля стальные шпунты выдергивают.
Крепление котлованов способом замораживания применяют в сложных геологических и гидрогеологических условиях при глубоком расположении водоупорного слоя и при замкнутых котлованах значительной площади, крепление стен которых сваями или шпунтами и расстрелами было бы слишком сложным. Искусственное замораживание грунта по контуру таких котлованов создает стены не только водонепроницаемые, но и воспринимающие активное давление грунта.
В котловане, освобожденном от временной крепи, создаются благоприятные условия Для механизации выемки грунта и укладки бетона или готовых конструкций.
Анкерное крепление применяют в случаях разработки котлованов значительных размеров при возведении в них подземных вестибюлей или для сооружения перегонных тоннелей и станций метрополитенов. Сущность этого способа состоит в том, что обычную свайную крепь 1 котлованов заанкеривают в грунт за линией естественного откоса. Необходимость в установке расстрелов (рис. 528, а) отпадает. Наиболее целесообразно применение нагнетаемых железобетонных анкеров, обеспечивающих надежную связь их с несвязным грунто- ш i пп
вым массивом (песок, гравий). П
Конструкция и технология изготовле- Д.Л_ _______________________ 0
ния применяемых анкеров отличаются PH.l_j.JH!---------------UI1—
большим разнообразием. В качестве при-
мера приведен анкер (рис. 528, б) в виде Г' ' Д. ! LJ ! Xl 1
стержня 2 из высокопрочной стали диамет- /т |
ром 26 — 32 мм с резьбой на обоих концах 11
для крепления к буровой коронке 4 и эле-
менту ограждения котлована. По мере ИЗ- рис 527. Разработка грунта (первый влечения обсадной трубы d =40-1-60 мм, этап)
Рис. 528. Анкерное крепление котлованов
под защитой которой выполнялось бурение скважины, в образующееся пространство 3 нагнетают цементное молоко (В : Ц 0,4 — 0,6) с добавками под давлением 30—40 кгс/см2. Усилие, воспринимаемое анкером длиной в 3—4 м, достигает 20 — 30 тс.
Остальную часть скважины заполняют цементным молоком под давлением 5 кгс/см2 для образования защитной оболочки 5 вокруг стержня анкера. Эту часть анкера иногда защищают от коррозии полиэтиленовой трубкой. Через головную часть 6 анкера усилие передается на ограждение котлована.
§ 146. ТРАНШЕЙНЫЙ СПОСОБ
Крепь траншей состоит из вертикальных стоек, установленных через I — 2 м одна от другой. За них заводят горизонтальные доски, поддерживающие грунт. Между стойками ставят деревянные распорки (рис. 529).
В качестве меры борьбы с водой применяется открытый водоотлив изнутри
траншеи.
После того как траншеи вырыты и закреплены, на их дно укладывают подготовку из тощего бетона, затем выравнивающий слой штукатурки, на которую наклеивают или наносят гидроизоляцию. Гидроизоляцией покрывают также защитные стенки в траншеях с внешней стороны тоннеля. Затем устанавливают лекала и опалубку с внутренней стороны тоннеля и ведут бетонирование стен отдельными столбами. После достижения бетоном столбов проектной прочности вскрывают поверхность между стенами до требуемой отметки для укладки железобетонных элементов перекрытия.
Конструкцию покрывают гидроизоляцией и защитным слоем из цементно-песчаного раствора, после этого засыпают грунтом с послойным уплотнением и восстанавливают проезжую часть улицы.
Грунт ядра удаляют экскаватором под защитой перекрытия. Лоток бетонируют отдельными полосами после наклейки или нанесения гидроизоляции на подготовительный слой из бетона, поверхность которого выравнивают це-
ментно-песчаным раствором.
Для производства всех этих работ необходимо лишь обеспечить наклонный въезд на уровень низа тоннеля. Для этого выбирают
Рис. 529. Крепление траншей:
1 — стойки; 2 — распорки; 3 — доски
такие места среди городских кварталов, раскрытие которых не мешает нормальному движению городского транспорта.
Разновидностью того же траншейного способа сооружения тоннелей мелкого заложения является так называемый миланский способ, впервые примененный на строительстве некоторых зарубежных метрополитенов.
В практике советского метрополитена этот способ несколько преобразован (рис. 530).
Стены перегонных тоннелей с обделкой из монолитного железобетона сооружают в траншеях шириной 0,5 м, заполняемых для их крепления суспензией из бентонитовой глины. Бентонит—разновидность глины— очень гигроскопичен и при соединении с водой образует глинистый коллоидный раствор. Количество бенто-
р-п
Рис. 530. Сооружение стен тоннелей .метрополитена траншейным способом с примененном раствора бентонитовой глины:
нита в растворе принимают от 4 до 18% в зависимости от условий. Плотность его (у = 1,02 т/м3) препятствует прониканию грунтовой воды во внутреннее пространство тоннеля.
Разработку грунта в траншеях ведут бурильным агрегатом СВД-500, состоящим из экскаватора со снятой стрелой, рамы, направляющего шаблона с эрлифтной системой и бурового снаряда.
Агрегат СВД-500 устанавливают в заранее подготовленной траншее глубиной 2 м. По мере проходки траншеи ее заполняют раствором бентонитовой глины, приготовленным в глиномешалке. Разработанный грунт, смешанный с бентонитовым раствором, выкачивают в виде пульпы в траншею глубиной 2 м, отрытую с откосами 1 : 1 вдоль всего участка по оси тоннеля (см. рис. 530). Из этой траншеи пульпа грузится экскаваторами в самосвалы. После очистки при помощи сито-гидроциклонной установки СГУ-4 бентонитовый раствор используют повторно.
В заполненных бентонитовым раствором траншеях подводным бетонированием возводят железобетонные монолитные стены. Бетонирование ведут на участке длиной 100 м, разделенном на секции по 5 м железобетонными сваями, опущенными в траншею на глубину на 2 м ниже отметки подошвы тоннеля. В каждую секцию предварительно опускают каркас из арматуры. Разделяющие сваи и арматурные каркасы устанавливают самоходным краном К-161 на пневмоходу с длиной стрелы 15 м, перемещающимся по бровке выемки.
Бетонная смесь подается по бетоноспуску с передвижной платформы. Подача бетонной смеси в загрузочную воронку осуществляется бетононасосом С-296 производительностью 10 м3/ ч или автобетономешалками.
Стены тоннелей можно сооружать также из сборных железобетонных элементов-блоков П-образной формы, устанавливаемых ребрами наружу. Проектное положение этих блоков фиксируют при помощи подвесок. Пространство между блоками и грунтом в траншеях заполняют песком.
Возведение перекрытия и лотка и удаление породы ядра выполняют так же, как и в изложенном выше способе.
§ 147. ЩИТОВОЙ СПОСОБ
Щитовой способ имеет преимущество перед котлованным и траншейным способами, так как не требует специального крепления стен и в большей степени механизирует все производственные процессы. Щит представляет собой металлическую крепь, защищающую призабойную зону от обрушения грунта (рис. 531).
Конструкция щита имеет прямоугольное поперечное сечение. Нижняя и боковые части щита, образующие корпус 1, представляют жесткие сварные лементы, соединяемые на болтах. Впереди предусмотрена ножевая часть 2, назначение которой — частично подрезать и перемещать грунт к оси щита.
В щите имеются вертикальные и горизонтальные перегородки 3 и поперечная стена-диафрагма с люками < отделяющая зоны разработки породы и монтажа конструкции.
Листы оболочки щита выступают за пределы основной его конструкции. В дополнение к ним для ограждения зоны монтажа и гидроизоляции конструкции тоннеля предусмотрены боковые металлические листы 5, скрепленные с конструкцией щита.
Щит передвигают при помощи 30 гидравлических домкратов общей силой до 900 тс (при давлении рабочей жидкости до 75 кгс/см2). Питание домкратов жидкостью осуществляется от двух гидронасосов, расположенных в нижней ячейке щита.
Производство работ щитом (рис. 532) складывается из следующих процессов.
Рис. 531. Конструкция щита прямоугольного сечения
Рис. 532. Сооружение тоннелей с цельносекциошюй обделкой щитовым способом
Покрытие проезжей части «улицы на ширину выемки и на длину 25—30 м снимают бульдозером 1. Грунт в забое перед щитом разрабатывают при помощи ковшовых стругов или экскаватора-драглайна 2, расположенного на платформе 4 (см. рис. 532).
В первом случае грунт выдают на поверхность при помощи ковшей. Сначала грузят на пластинчатый транспортер, далее на подвижной транспортер-перегружатель. С последнего грунт может быть направлен самосвалами в отвал и частично на засыпку готовой конструкции. Во втором случае экскаватор-драглайн (ковш емкостью 1 — 1,5 м3) обеспечивает разработку грунта перед щитом 3 на глубину до 8 м и выдачу его на поверхность с погрузкой в самосвалы.
При ширине выработки до 9 м, что соответствует двухпутному тоннелю, техническая производительность экскаватора с ковшом емкостью 1 м3 достигает 72 м3/ч, а скорость продвижения забоя до 1 м/ч.
Монтаж основной конструкции тоннеля, состоящей из отдельных секций длиной от 1 до 3 м, производится при помощи башенного или козлового крана 6. Поперечное перемещение элементов конструкции при монтаже достигает 10 м (до оси тоннеля).
Строительный зазор, равный 70 мм, между стенами выработки и конструкцией тоннеля 5 заполняют сухим просеянным песком, который в последующем смачивают. Необходимое количество сухого песка помещают в специальных бункерах, прикрепленных к оболочке щита. Песок, непрерывно выпускаемый из выходного отверстия бункера через прорези в боковых листах, автоматически заполняет строительный зазор.
Гидроизоляцию выполняют только в верхней части конструкции наклеиванием рулонных материалов. На боковые стены конструкции гидроизоляцию наносят в заводских условиях.
Засыпку конструкции тоннеля ведут вслед за гидроизоляцией при помощи самосвалов или транспортеров с последующим разравниванием грунта бульдозерами.
Применение на опытном участке щитового способа сооружения двухпутного перегонного тоннеля с цельносекционной обделкой выявило значительные его преимущества по сравнению с котлованным способом, заключающиеся в увеличении скорости сооружения тоннеля, уменьшении числа трудоемких процессов и повышении уровня индустриализации работ. Выявились также некоторые конструктивные недостатки щита, устранение которых в последующем обеспечит широкое применение щитового способа сооружения тоннелей прямоугольного сечения. Однако густая сеть подземных коммуникаций ограничивает применение этого способа в городских условиях.
§ 148. СООРУЖЕНИЕ СТАНЦИЙ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
Станции метрополитенов при глубине их заложения до 10 м, а в единичных случаях до 20 м и более сооружают в котлованах. В зависимости от места расположения станций в городе котлован отрывают с откосами или со свайным (реже шпунтовым) креплением. Городские подземные коммуникации, расположенные в пределах котлована, перекладывают или подвешивают к крепям котлована. Ширина котлована для сооружения станции достигает 18—20 м: его крепь обычно состоит из свай—двутавровых балок № 55, забиваемых на расстоянии 1,2 м одна от другой, и одного ряда расстрелов из двух связанных между собой металлических ферм. Разработку котлована для станции обычно
ведут в два, а иногда в три яруса, что зависит от системы водопонижения, которое иногда нельзя осуществить сразу на нужную глубину. При этом глубина заходки первого яруса определяется уровнем грунтовых вод, от которого осуществляют погружение иглофильтров. Грунт разрабатывают экскаватором (см. рис. 526); перед укладкой бетонной подготовки дно котлована зачищают бульдозером.
Гидроизоляцию лотка станции наклеивает или наносят на цементнопесчаную стяжку, уложенную по бетонной подготовке, и покрывают сверху такой же стяжкой для предохранения от повреждений. Затем укладывают лотковые блоки на цементно-песчаном растворе или устанавливают арматуру и бетонируют лотковую плиту станции, по длине которой устраивают 2—4 деформационных шва. Монтаж сборной обделки станции (рис. 533) осуществляется обычно козловым и реже стреловым краном. Кран перемещается по рельсам, уложенным на бровках котлована. Тем же краном и одновременно с обделкой собирают внутренние конструкции станции — путевые и подплатформенные стены и пассажирскую платформу.
При сборке обделки применяют монтажные тележки, передвигающиеся по лотковой плите и предназначенные для выверки правильности положения блоков обделки и соединения их между собой сваркой закладных деталей.
Колонны, стеновые блоки и прогоны удерживаются краном до окончания процесса подклинки и сварки закладных деталей. После выверки правильности положения элементов обделки все швы между ними заливают цементнопесчаным раствором. Устойчивость станции до ее засыпки грунтом обеспечивается постановкой временных связей.
Гидроизоляцию стен и перекрытия станции выполняют после окончания монтажа всех конструкций и их замоноличивания; ее наклеивают или наносят на наружные поверхности стен и по перекрытию, покрытому предварительно
слоем цементно-песчаного раствора, которым создают уклоны от середины к краям для стока воды. Гидроизоляцию защищают стенками из кирпича, бетонных плит или асбестоцементных листов и армированной цементно-песча-
ной стяжкой толщиной 4—5 см.
Демонтаж водопонизительной установки, извлечение иглофильтров и выдергивание свай крепления
Рис. 533. Монтаж сборной обделки станции
котлована производят после окончания изоляционных работ.
Зазоры между стенками котлована и станционной обделкой засыпают песком с обеих сторон одновременно. Каждый слой песка толщиной 50 см поливают водой и тщательно утрамбовывают. Слой засыпки над перекрытием утрамбовывают специаль
ными катками.
Глава 38
СООРУЖЕНИЕ СТАНЦИЙ МЕТРОПОЛИТЕНОВ ЗАКРЫТЫМ СПОСОБОМ
§ 149. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Сооружение станций метрополитенов закрытым способом относится к наиболее сложным работам в метростроении. Выбор способа работ зависит от инженерно-геологических условий заложения станции, ее конструктивных особенностей и материала обделки.
В крепких устойчивых породах целесообразен горный способ проходки с раскрытием каждого тоннеля станции на полный профиль и возведением сборной обделки при помощи эректора. В мягких и недостаточно устойчивых породах станционные тоннели сооружают щитовым способом. В отдельных случаях в зависимости от местных условий ( например, при коротком среднем станционном тоннеле) возможно сочетание того и другого способов. Влияние на выбор способа работ таких факторов, как материал и конструкция станции, будет рассмотрено на конкретных примерах.
В зависимости от способа ведения проходческих работ должны приниматься соответствующие схемы расположения вспомогательных выработок. Здесь может быть несколько характерных случаев. В одном из них (рис. 534, а) станционные тоннели оканчиваются с обеих сторон камерами, необходимыми для монтажа и демонтажа проходческих щитов. Подходные транспортные штольни,
Рис. 534. Схема расположения главных и вспомогательных выработок:
а —при щитовой проходке сооружения тоннеля; б— при горной проходке; 7 — щитовые камеры: 2 — ствол шахты
Рис. 535. Параллельный график работ по сооружению станции: / — сооружение камер для монтажа эректора; 2— монтаж эректора; 3 — проходка левого тоннеля; 4—проходка правого тоннеля; 5—проходка среднего тоннеля: 6 — демонтаж эректора; 7 — сооружение проемов; 8 — монтаж внутренних конструкций; 9 — отделочные работы; 10 — укладка пути
связывающие станционные тоннели с шахтным стволом (или с наклонным эскалаторным тоннелем), примыкают к камерам сбоку. В этом случае станционные тоннели проходят при помощи щитов.
Станционные тоннели, проходимые на полный профиль без применения щитов (рис. 534, б), не требуют расположения в их торцах камер. В этом случае подходные штольни могут примыкать к станционным тоннелям с торцов и боковых сторон.
Кроме перечисленных, могут быть приняты и другие варианты компоновки главных и вспомогательных выработок, зависящие от конструкции станции, способа проходки станционных тоннелей, а также от степени использования наклонного и перегонных тоннелей для транспортных целей.
Организация работ по сооружению станции может быть различной. Наиболее эффективен способ ведения работ по параллельному графику (рис. 535), согласно которому станционные тоннели проходят с некоторым отставанием один от другого (на 25—30 м).
Рнс. 536. Последовательный график работ по сооружению станнин:
/ — сооружение щитовой камеры правого тоннеля; 2 — монтаж станционного щита № I; 3 — вывод щита № I нз камеры; 4 — монтаж станционного блокоукладчика; 5 — сооружение демонтажной камеры правого тоннеля; 6 — монтаж станционного щита № 2; 7— вывод щита № 2 нз камеры н монтаж бло-коукладчнка; 8 — сооружение правого тоннеля щитом № I; 9 — сооружение проемных рам правого тоннеля; 10 — сооружение левого тоннеля щитом № 2; //—демонтаж щита № I; /2 —демонтаж станционного блокоукладчика; 13 — сооружение натяжной камеры через наклонный тоннель; 14 — монтаж станционного щита № I; 15— монтаж станционного блокоукладчика; 16 — сооружение щитовой камеры №2; 17 — сооружение ходка нз правого тоннеля; 18 — сооружение демонтажной камеры среднего тоннеля; 19 — демонтаж щнта № 2: 20 — демонтаж станционного блокоукладчика; 21 — сооружение среднего тоннеля щитом № I; 22 — сооружение проемных рам левого тоннеля; 23 — демонтаж щнта № I; 24 — демонтаж станционного блокоукладчика; 25 — сооружение проемных рам среднего тоннеля; 26 — сооружение проходов; 27 — укладка бетона жесткого основания
Существует и другой — последовательный—способ работ, при котором проходку ведут одним-двумя комплектами оборудования; при этом достигается лучшее его использование, но за счет некоторого (приблизительно на 30%) удлинения сроков работ (рис. 536).
Выбор рационального способа работ должен всегда сопровождаться соответствующими технико-экономическими расчетами.
§ 150. СООРУЖЕНИЕ ОДНОСВОДЧАТЫХ СТАНЦИЙ
Последовательность возведения односводчатой станции в поперечном сечении (рис. 537) предусматривает предварительное сооружение бетонных опор Г в штольнях I, затем проходку калоттного профиля II и возведение свода 1Г. Следующий этап—разработка ядра III и, наконец, подчистка нижней части IV и сооружение обратного свода IV. В крепких породах возможно ведение работ без проходки штолен.
При строительстве односводчатых станций из сборного железобетона могут быть применены два способа производства работ—горный и комбинированный.
Горный способ основан на проходке боковых штолен с возведением в них опор и разработке всей сводовой части на полный профиль с монтажом сборной обделки при помощи дугового блокоукладчика. В последнюю очередь разрабатывают ядро и сооружают обратный свод.
Комбинированный способ основан на проходке боковых тоннелей механизированными щитами с возведением в них стен, разработке и креплении сводовой части при помощи полущита или облегченной крепи и блокоукладчика с разработкой в последнюю очередь ядра и укладкой обратного свода.
По первому способу (рис. 538), применяемому в относительно крепких породах, горнопроходческие работы необходимо вести с наименьшим нарушением устойчивости массива. С этой целью после 28-дневной выдержки бетона в стенах выработку раскрывают на высоту, ограниченную условиями последующего монтажа обделки. Таким образом, оставляемое ядро должно быть возможно большим, а разрабатываемая часть, наоборот, — возможно меньшей. Это ведет к снижению стоимости работ.
Чтобы обеспечить проектное очертание контура выработки и сохранность конструкции, следует применять гладкое взрывание с использованием электродетонаторов короткозамедленного действия. Ядро целесообразно разрабатывать после окончания всех работ в сводовой части. Это позволяет сохранить единый откаточный уровень. Применяемые при этом породопогрузочные и и транспортные средства могут быть размещены на верхней или боковых частях ядра. Последующая разработка ядра должна выполняться высокопроизводительными
полноповоротными экскаваторами с предварительным рыхлением породы в случае необходимости малыми взрывами. Ввиду больших размеров сечения выработки перемещение породы 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 этой 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.
По второму способу (рис. 539), применяемому для достиже-
ние. 537. Схема последовательности работ по сооружению односводчатой станции
Рис. 538. Схема работ по сооружению односводчатой станции горным способом
ния более высокой степени механизации работ, при сооружении односводчатой станции проходят в первую очередь два боковых тоннеля, в которых возводят опорные стены с применением пневмобетоноукладчиков или бетононасосов.
Размеры поперечного сечения этих тоннелей назначают в зависимости от конструктивных размеров станционных опорных стен, зависящих в свою очередь от допускаемых давлений на породы и податливости последних при значитель
ных нагрузках.
Целесообразно при проходке тоннелей использовать перегонные механизированные щиты, не требующие их монтажа и демонтажа в пределах станции, так как при их помощи могут быть сооружены и примыкающие перегонные тоннели. Для этого необходимо предусмотреть возможность поперечного перемещения перегонных щитов при помощи передвижных платформ.
Во всех случаях щитовой проходки боковых тоннелей обделка на части периметра остается в породе, а большая часть обделки подлежит разборке и по-
вторному использованию.
Некоторый излишек в разработке породы соответственно уменьшает объем работ при разработке ядра и позволяет использовать пространство между стеной и обделкой для транспортных целей. Следует отметить в этом случае возможность параллельного ведения транспортных работ.
Организация строительно-монтажных работ по проходке сводовой части, возведению несущего свода, разработке ядра, удалению части обделки боковых тоннелей, укладке обратного свода и сооружению внутренних конструкций может быть основана на применении крупной механизации.
Основные этапы работ представлены на полусечениях (см. рис. 539): А — А проходка наклонных штолен (только на начальном этапе) из боковых тоннелей и монтаж дугового блокоукладчика;
й-й ь-ь В-В Г-Г д^д
Рис. 539. Схема сооружения односводчатой станции механизированным способом:
/ — блокоукладчик; 2 — привод блокоукладчика; 3 — монорельс; 4 — подкрановая балка; 5 — электрический кран
Б — Б — последовательный монтаж арок свода с тщательной забутовкой в пределах ширины штольни, предварительное обжатие арок при помощи одного из домкратов Фрейссине, помещенных в замковой части; разработка породы на ширину арки (0,5 м) с уборкой при помощи дуговых транспортеров;
В — В — нагнетание за обделку песчано-цементного раствора, напряжение свода вторым домкратом замкового блока;
Г — Г — разработка ядра уступами с удалением части тюбингов боковых тоннелей и погрузкой породы машинами ППМ-4 в вагонетки; монтаж обратного свода, распираемого в породу съемным домкратом;
Д — Д — монтаж внутристанционных конструкций.
Производство работ комбинированным способом позволяет достигать большой степени механизации, вести работы по параллельному графику, исключает необходимость монтажа и демонтажа перегонных щитов в пределах станции. Недостатком этого способа является то, что часть обделки перегонных тоннелей остается за опорными стенами станции.
В варианте применения станционного полущита торцовые камеры могут быть обычного или поперечного типа. В первом случае неизбежен большой объем проходческих работ, а во втором возникают производственно-конструктивные трудности, связанные с сооружением в стенах камер больших проемов.
Односводчатым станциям может быть дана следующая конструктивнопроизводственная оценка.
Помимо эксплуатационных и архитектурных преимуществ односводчатых станций, известных из § 120, отметим те дополнительные качества, которые выгодно отличают их от трехсводчатых станций. Прежде всего отсутствует необходимость последовательной разработки нескольких забоев и устройства каких-либо соединительных выработок и сопряжений, обычно приводящих к неравномерным нагрузкам и суммированию осадок дневной поверхности по мере раскрытия забоев.
Конструкция односводчатой станции, монтируемая из сборных железобетонных элементов, создается вслед за разработкой единого забоя и немедленно вступает в работу как несущая. Большие размеры поперечного сечения станции позволяют широко применять комплексную механизацию с использованием крупных высокопроизводительных проходческих, породоуборочных и блокоукладочных средств, благодаря чему возможно повышение темпов строительномонтажных работ и снижение их стоимости.
В качестве примера следует остановиться на сооружении односводчатой станции «Обер» Парижского метрополитена. Эта станция заложена в сложных инженерно-геологических условиях. Опоры свода расположены на прочном основании в виде слоев известняка, над которым находятся слабые водопроницаемые мергели толщиной 18—19 м с включением более прочных пород; выше мергелей — обводненные аллювиальные отложения. Таким образом, вся станция заложена в слабых породах ниже горизонта подземных вод. Над станцией расположены тоннели действующих линий метрополитена, переходные тоннели, канализационные тоннели, а на поверхности — многоэтажные здания — памятники архитектуры.
Во избежание возможных осадок вместо водопонижения принято химическое закрепление пород, а также тщательное ведение проходческих работ и использование иа всех этапах строительства обжатия элементов крепи выработок в породу и, наконец, рациональная конструкция несущего свода станции, также обжатого в породу (см. рис. 425).
Способ производства работ по сооружению станции представляет значительный интерес (рис. 540). Вначале было выполнено химическое закрепление пород. Первой была пройдена на всю длину станции — 225 м — верхняя штольия (2,6 X 3,2 м) иа уровне шелыги свода с применением стальной крепи, обжимаемой в породу усилием 200 тс (верхняя).
Из этой штольни были пробурены веерные скважины в зону расположения пят свода и проведено нагнетание цементно-глинистого раствора для уплотнения и осушения породы. После этого были сооружены две боковые штольни с обжатием верхияков стальной крепи, расположенные в верхней части опорных стен, бурение скважины и закрепление породы, прилегающей к станции.
Верхняя область была закреплена силикагелем с добавками синтетических смол, что обеспечило прочность пород aCHt = 20 -г 25 кгс/см2, а нижняя часть, заложенная в прочных песчаниках, была уплотнена глинистым раствором для создания водонепрони-
Рис. 540. Схема сооружения станции «Обер» Парижского метрополитена
цаемой завесы. Длительность всех этих работ — 1,5 года. В результате было достигнуто надежное закрепление породы, исключившее понижение уровня подземных вод и предотвратившее осадки поверхности.
Расширение выработки проводили по всей длине станции участками длиной 3,2—4,5 м, используя боковые штольни с применением стальной крепи и бетонированием верхней части монолитных стен. Затем разрабатывали штроссы и возводили в шахматном порядке ннжнне части стен с применением в отдельных случаях буро-взрывных работ. Подсводовую часть высотой до 5 м разрабатывали отбойными молотками участками по 0,8 м при односменной работе бригадой в 8—9 чел.
Кровлю крепили швеллерами вразбежку, помещенными одним концом на предыдущей арке свода, а другим — на лобовых стойках. Забой был оставлен без крепления. Обделку свода монтировали при
помощи специального дугового блокоукладчика на рельсовом ходу, имевшего в своем составе две ветви стальных арок и рычажный подъемник. Блоки подавали к месту работ при помощи тельфера по монорельсу с последующим подъемом на рычаг укладчика. До установки на их торцовые поверхности наносили слон эпоксидного клея с целью дальнейшего омоноличивання.
Блоки последовательно перемещали по ветвям укладчика в требуемое положение и по мере комплектования (14 блоков) раздвигали арки укладчика с подъемом свода до проектной отметки. После этого устанавливали замковый блок с домкратами Фрейсснне с последующей выверкой положения свода при помощи нагнетания цементного раствора в камеры и окончательно обжимали домкратами Фрейссине усилием 360 тс.
Бригада монтажников в составе 7—8 чел. монтировала арку свода в течение одной смены. Верхнюю часть породного ядра разрабатывали экскаватором, а нижнюю — предварительным рыхлением при помощи взрывов. В последнюю очередь сооружали обратный свод, а также внутренние перекрытия и пассажирские платформы.
Общий срок строительства 5,5 лет. Опыт сооружения этой станции весьма поучителен для расширения возможности его дальнейшего развития.
§ 151. СООРУЖЕНИЕ ТРЕХСВОДЧАТЫХ СТАНЦИИ ПИЛОННОГО ТИПА
Сооружение станций с обделкой из чугунных тюбингов. Станции, состоящие из трех независимых тоннелей, сооружают в три последовательных этапа: проходка одного бокового тоннеля, затем с отставанием на 30—50 м — второго и, наконец, среднего. Это соответствует обычному способу ведения работ по проходке параллельных тоннелей, обеспечивающему наименьшее нарушение естественного равновесия горного массива и, следовательно, сохранность сборной обделки.
Комплекс работ по проходке в каждом тоннеле одинаков; он состоит из ряда последовательно выполняемых операций, аналогичных производимым при щитовой или эректорной проходке, и работ по монтажу рамных тюбингов (клинчатых и усиленных).
К особенностям ведения работ при щитовой проходке глухим забоем (рис. 541) относится то, что породопогрузочные работы выполняют при помощи производительных машин тяжелого типа (ППМ-4, МПР-6 и т. п.). Большегрузные (1,5 м3) вагонетки откатывают электровозами по готовому тоннелю в сторону шахтного ствола. В конце станции устраивают наклонный помост для перемещения вагонеток на отметку откаточных выработок. Таким образом, откатку породы и подачу тюбингов осуществляют по лотковой части тоннеля, что, естественно, создает некоторые трудности и помехи при ведении работ по нагнетанию раствора, очистке и чеканке.
Обычно в головной части тоннеля под тюбингоукладчиком помещают передвижную платформу, скрепленную со щитом. В пределах этой платформы длиной 15—20 м имеются рельсовые пути и накладная стрелка, используемые 508
для маневровой работы погрузочной машины и вагонеток при их погрузке. Дальнейшие транспортные работы ведут по наращиваемым путям нижнего уровня.
Способы разработки породы в забое зависят от ее инженерно-геологических показателей (см. § 95).
К особенностям работ в станционном тоннеле, связанных с укладкой тюбингов, относится монтаж рамных тюбингов (боковых и перемычек), окаймляющих проемы пилонной станции, выполняемые тюбингоукладчиками. Рамные боковые тюбинги и элементы перемычек необходимо укладывать тщательно в строгом соответствии с их конструктивной разбивкой. Тюбинги заполнения, укладываемые в пределах будущего проема, обычно принимают марки СН (станционные нормальные), но несколько более узкие—шириной 745 мм против нормальных, имеющих ширину 750 мм, что облегчает в дальнейшем их демонтаж.
При этой системе работ тюбинги подают к месту монтажа на платформенных вагонетках по рельсовому пути узкой колеи.
Для предотвращения деформаций тоннельной обделки вслед за укладкой колец устанавливают поперечные стяжки в одном или нескольких ярусах в зависимости от характера деформаций, определяемых по данным маркшейдерской службы, а также ведут тщательное нагнетание за обделку песчано-цементных растворов.
Процесс нагнетания относится к весьма важным при сооружении станционных тоннелей; его выполняют звеном, состоящим из 2 чел., в соответствии с действующими техническими условиями. Описанным способом сооружают вчерне все три тоннеля пилонной станции.
Проходка станционных тоннелей в устойчивых крепких породах глухим забоем при помощи эректора, оснащенного для этой цели дополнительным оборудованием, рассмотрена в § 102.
При погрузочно-транспортных работах могут быть использованы две схемы размещения оборудования. Одна из них предусматривает применение на подвижной платформе погрузочной машины тяжелого типа и электровозной откатки большегрузных (1,5 м3) вагонеток до ствола шахты. При той же системе транспорта возможно использование наклонного транспортера в случае разработки пород отбойными молотками.
Временная инвентарная крепь, применение которой обязательно при опасности вывалов породы, может быть выполнена с использованием стальных телескопических труб диаметром 100 — 150 мм, затяжек для всей плоскости забоя и стальных кронштейнов с брусчатыми затяжками в кровле.
Монтаж основных и проемных конструктивных элементов, а также нагнетание и гидроизоляцию осуществляют по схеме, аналогичной применяемой при щитовой проходке.
Щитовая проходка станционных тоннелей в смешанных породах, требующих применения взрывных'работ, но находящихся на контакте с неустойчивыми (чем и вызывается применение щита), должна проводиться особо тщательно. Лотковой части выработки необходимо придавать очертание, соответствующее форме контура щита. Недоборов и переборов породы не должно быть, в противном случае щит, а следовательно, и обделка не смогут занять проектное положение и, кроме того, сам щит может быть поврежден.
Наиболее эффективно применение для этой цели гладкого взрывания. Для той же цели может быть применен бетонный лоток, сооружаемый в основании опережающей штольни, которая может быть тупиковой или сквозной. В последнем случае ее рационально использовать для прокладки геодезическо-маркшейдерской основы, для транспортных целей, а также для водоотвода и вентиляции.
Такая схема, применявшаяся на I—III очередях строительства Московского метрополитена, может быть применена только в отдельных случаях и при достаточном обосновании, так как наиболее экономична проходка глухим забоем, т. е. без штольни.
Рис. 541. Схема сооружения станционного тоннеля щитом без применения опережающей штольни:
I — станционный щит; 2 — погрузочная машина; 3 — тюбинго-укладчнк; 4 — гидравлический насос; 5 — тельфер; б — раство-ропагнетатель; 7 — передвижная платформа; 8 — толкатель верхнего действия; 9 — катушка контактного провода; 10 — вспомогательная тележка; II — растворомешалка; 12 — вагонетка
Рис. 542. Схема сооружения станционного тоннеля щитом с опережающей штолыюн
В основу механизации трудоемких погрузочных работ по этой схеме (рис. 542) приняты поперечные транспортеры-питатели, располагаемые в ножевой части щита, и продольный металлический транспортер, занимающий положение по оси опережающей штольни и проходящий через нижнюю ячейку щита. Этот транспортер первоначально выдвигается вперед на 20—25 м, что обеспечивает непрерывную погрузку породы в бункер на данном протяжении щитовой проходки. За первым транспортером следует второй, наращиваемый укрупненными звеньями, и, наконец, третий, служащий для переподъема породы и погрузки в вагонетки, подаваемые в торцовую часть станции.
Система транспортеров, принятая в этой схеме, работает удовлетворительно и может быть включена непосредственно перед взрывом. Конструкция поперечных питателей и защитное ограждение первого транспортера обеспечивают сохранность головного узла во время взрыва. Таким образом, часть породы может быть перемещена по транспортерам в бункер до фактического допуска бригады рабочих к забою.
Тюбинги и материалы подают по рельсовому пути, расположенному на уровне лотка или подвесного помоста. В том и другом случае требуется опускание (или соответственно подъем) тюбингов и материалов с откаточного уровня торцовой камеры.
При наличии сквозной штольни, используемой для перемещения породы в вагонетки 1, в пределах ее поперечного сечения помещают два рельсовых пути на большей части протяжения штольни и один путь на участке, примыкающем к щиту с накладной стрелкой в месте перехода (рис. 543), и бункер 2. Такую схему применяли на строительстве Ленинградского метрополитена при электровозной системе откатки.
Породу в забое разрабатывают отбойными молотками. Рациональная последовательность выполнения этих работ зависит от степени устойчивости породы. В условиях сухих глин рекомендуемая схема работ соответствует рассмотренной в § 95. Уборку породы ведут вне зоны монтажных работ, что следует отнести к.положительным качествам рассматриваемой схемы.
Работы, связанные с монтажом конструкции станционного тоннеля, включая рамные фигурные тюбинги проемов, выполняют при помощи тюбингоуклад-чика 3, помещенного на передвижной платформе 4. Состав звена 4—5 чел. 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 узкой колеи соответст-ствует уровню откатки в подходных выработках, что обеспечивает удобство выполнения транспортных работ. Для подачи тюбингов непосредственно под захват рычага тюбингоукладчика предусмотрен тельферный переподъемник, помещенный в хвостой части тележки укладчика. Рядом с повышенным помо-
рие. 543. Схема сооружения станционного тоннеля щитом с применением сквозной штольни
стом, в головной части тоннеля, находится тупиковый путь для размещения растворонагнетателей.
Комплекс работ по монтажу конструкций, нагнетанию и гидроизоляции швов такой же, как и в схеме по рис. 541. Для создания фронта работ необходимо использовать две-три вспомогательные тележки 6 (см. рис. 543).
Для устранения помех, связанных с транспортными работами, применялись комбинированные схемы, имевшие главной целью разобщение уровня основных работ и работ по нагнетанию и гидроизоляции обделки.
В одной из них перегружатель помещался на передвижной платформе нижнего уровня, а его разгрузочная часть с. бункером была смещена в сторону и давала возможность вести погрузку породы в вагонетки, находящиеся на боковом помосте на уровне будущей пассажирской платформы станции. Дальнейшую откатку согласно этой схеме вели на одном уровне по вспомогательным выработкам до шахтного ствола.
Тюбинги и сухую смесь для нагнетания подавали по той же передвижной платформе к тележке тюбингоукладчика. Последующее опускание тюбингов на отметку нижнего помоста и контейнеров со смесью до загрузочного бункера растворонагнетателей осуществляли при помощи рельфера.
Комплекс строительно-монтажных работ, проводимых по этой схеме, аналогичен случаю проходки станционных тоннелей щитом (см. рис. 541).
Другая схема предусматривала ведение всех работ, связанных с погрузкой и откаткой породы на нижнем уровне в лотковой части готового тоннеля, а также работ по подаче тюбингов и сухой смеси по специальной подвесной платформе. В этом случае платформу использовали как транспортную связь и как место расположения подвесных тележек, необходимых для гидроизоляционных работ. В головной части платформы помещался тельферный подъемник, при помощи которого тюбинги и контейнеры опускали на требуемую отметку.
С целью исключения переподъема тюбингов у ствола шахты иногда устраивают специальную подходную штольню на уровне верхнего помоста.
В случае заложения станции в песчаных необводненных породах, находящихся под защитой плотных пород, ее сооружение может быть приведено по способу пилот-тоннеля. При этом исключается необходимость в шести щитовых камерах, что приводит к сокращению на 6—7 месяцев срока строительства (рис. 544).
Способ пилот-тоннеля, при котором раскрытие выработки на полный профиль станционного тоннеля производят в два приема, позволяет сохранить устойчивость песчаного массива.
Схема сооружения станции по способу пилот-тоннеля такова. Вначале при помощи эректора / проходят тоннель диаметром 5—6 м, в котором возводят временную обделку. С отставанием на 12—14 колец дорабатывают породу до профиля станционного тоннеля и устанавливают лобовую контурную крепь. Крепление забоя в месте расширения должно выполняться весьма тщательно.
I I--------------------
СТ
зг
*Av/Av/AaAwA^wAW
12 - 14 колец
ч
____ЪОи___
Рис. 544. Схема сооружения станционного тоннеля по способу пилот-тоннеля 512
Рис. 545. Схема крепления верхней части забоя
Эта работы осуществляют с использованием станционного эректора 4. Разборку обделки пилот-тоннеля можно выполнять двумя способами—специальной лебедкой или эректором, рычагу которого придается большая маневренность.
Сборку обделки станционного тоннеля ведут при помощи эректора немедленно после разборки обделки пилот-тоннеля, не нарушая при этом откаточного пути подведением нижних тюбингов сбоку.
Чтобы обеспечить одновременность выполнения работ по погрузке породы в зоне расширения выработки и транспортных работ, в пилот-
тоннеле применяют специальный бункер 3, смонтированный на подвижной тележке, периодически перемещаемой при помощи лебедки 2. Этот бункер позволяет вести одновременную погрузку двух вагонеток, стоящих на боковых пу-
тях, и осуществлять сквозное движение по среднему пути.
Устойчивость массива обеспечивается первичным нагнетанием, которое выполняют во втором кольце, и контрольным—через 15—20 м. При проходке таким способом среднего тоннеля необходимо предварительно устанавливать в трех ярусах стяжки в боковых тоннелях с опережением забоя среднего тоннеля на 15—20 м.
Расстановка рабочей силы и строительных механизмов, а также последовательность ведения гидроизоляционных работ соответствуют обычным приемам эректорной проходки.
Скорость проходки станционного тоннеля с применением пилот-тоннеля равна 25—30 пог. м/мес. Такой способ может быть рекомендован для сооружения станций и коротких тоннелей большого сечения в необводненных песчаных
породах, залегающих ниже плотных пород, а также в разрушенных смешанных породах с применением буро-взрывных работ.
В подобном случае забой пилот-тоннеля крепят телескопическими трубами с затяжкой, а кровлю—досками с использованием инвентарных кружал. Буро-взрывные работы при расширении выработки до размеров станционного тоннеля ведут в три приема: кровлю, бока и лоток с временным креплением верхней части при помощи дощатых щитков, поддерживаемых стальными конструкциями (рис. 545).
К особо ответственным элементам работ при сооружении станций пиленного типа относится сооружение проемов.
Проходку станционных тоннелей в пределах проемной части необходимо выполнять с особой тщательностью и с соблюдением ряда правил, нормирующих допуски и отклонения. Это объясняется тем, что проходы, примыкающие к проемам, представляют собой пространственную конструкцию, продольная ось которой располагается нормально к оси главных тоннелей. Боковые поверхности проходов должны быть геометрически точно вписаны между гранями кольцевых ребер тюбингов тоннелей. Поэтому отклонения продольных осей тоннелей от проектного положения допускаются не более ± 10 мм.
Суммарная величина поворота (кручения) относительно первого проемного кольца не должна превышать ±50 мм, а опережение колец одного тоннеля относительно колец другого — 50 мм. Допускаемая эллиптичность колец станционного тоннеля по любому диаметру: при укладке ± 25 мм, за тюбин-гоукладчиком (после нагнетания) ± 50 мм.
При сооружении среднего тоннеля необходимо особенно тщательно выверять положение тоннеля в плане и профиле. Контуры проемов среднего и боковых тоннелей должны точно совпадать.
Сболчивание и дополнительное подтягивание болтов (роликовыми ключами с удлиненной рукоятью), а также ежедневный контроль (обстукивание болтов) нужно производить особенно тщательно.
В равной мере необходимо тщательно выполнять такие операции, как забучивание переборов и нагнетание цементно-песчаного раствора.
Очень важными факторами, предотвращающими деформации станции метрополитена как пространственной конструкции, следует считать последовательность и приемы раскрытия проемов и сооружения обделки проходов. Начинать эти работы следует после окончания проходки всех трех тоннелей станции. В крепких породах допускается приступать к раскрытию проемов после проходки половины длины среднего тоннеля. Очередность ведения работ также должна быть подчинена установленному практикой правилу — вести одновременно раскрытие не более двух проемов, расположенных на противо-
положных сторонах тоннеля.
Раскрытие проемов осуществляют несколькими способами в зависимости от устойчивости горных пород и материала гидроизоляции проходов. Рассмотрим последовательность работ при устройстве металлической гидроизоляции проходов в условиях крепких и затем неустойчивых пород.
Металлическую гидроизоляцию составляют из отдельных последовательно свариваемых стальных листов толщиной 6—8 мм, устанавливаемых по контуру проема. При этом обычный бетон заменяют песчано-цементным раствором, называемым «пескобетоном» (состав 1 : 3, марка 600), что позволяет применить растворонасосы. Рабочие подмости устраивают достаточно прочными для восприятия нагрузки от породы, разрабатываемой взрывным способом. Вначале сооружают верхнюю часть прохода (рис. 546), для чего необходимо удалить фигурные тюбинги 1 и 2 и средний тюбинг (СНО) 3, затем провести разработку породы буро-взрывным способом с последующей установкой двух прогонов и затяжкой.
Второй этап заключается в расширении калотты с постановкой четырех прогонов и последующим удалением тюбингов 4, 5, 6 и 7 в двух тоннелях, что обычно выполняют при помощи редукторных лебедок.
После этого проходческая бригада переходит к следующему проему, а ее место занимает бригада монтажников, в функции которых входит установка и сварка листов верхней части прохода с последующим нагнетанием песчано-
цементного раствора.
После выдержки бетона не менее шести суток приступают к сооружению последующих двух частей прохода, для чего снимают тюбинги заполнения и ведут разработку и уборку породы.
Следующий этап заключается в установке и сварке листов и нагнетании раствора. Описанные операции повторяют и при устройстве гидроизоляции в нижней части прохода.
Весьма важную роль играют последующие контрольные испытания закон-
проема в устойчивых породах
ченных работ. После выдержки бетона ведут контрольное нагнетание, которое позволяет проверить качество обделки проходов. Обнаруженные пустоты заполняют через дополнительно рассверливаемые отверстия d = 19 мм. Швы обрамления подлежат чеканке.
Конечные испытания проводят сжатым воздухом под давлением 0,2 кгс/см2. Для обнаружения дефектов в гидроизоляции швы перед испытаниями промазывают мыльной эмульсией.
При сооружении проходов в условиях неустойчивых пород комплекс работ несколько усложняется. Предварительно выполняют по всей длине станции подготовительные работы: контрольное подтягивание болтов, постановку в каждом пилоне трех стяжек на уровне диаметра, а против проема — трех парных стяжек по хордам, а также устройство скипов и подмостей.
В отличие от рассмотренного выше способа сооружение проходов ведут через два проема
на противоположных сторонах тоннеля. Все работы ведут через узкое окно после удаления верхнего тюбинга СНО, а затем нижних. Остальные тюбинги снимают лишь после сооружения 75% всего числа проемов.
При сооружении верхнего свода и стен обделки проходов предварительно удаляют вкладыши и средний верхний тюбинг СНО. Разработку породы ведут с расчетом установки двух прогонов / (рис. 547). Затем углубляют разработанную щель, подводят под прогоны две стойки 2, ведут дальнейшую разработку калотты, ставят следующие два прогона и закладную крепь. Разработкой калотты под третий комплект прогонов и их постановкой заканчиваются проходче-
Рис. 547. Схема сооружения проема в неустойчивых породах
ские работы в верхней
части прохода. Работы по бетонированию состоят из обычных операций. Контрольное нагнетание проводят после выстойки бетона в течение шести суток.
При сооружении обратного свода и низа стен необходимо удалить два оставшихся в среднем ряду тюбинга СНО. После разработки породы в нижней части проема и постановки распорок ведут бетонирование нижней части
прохода.
Сооружение станций с обделкой из сборного железобетона. В основу производственной оценки возможных решений может быть принята последовательность возведения пилонов и основных конструкций. Применительно к этой последовательности приводится группировка производственно-конструктивных решений по характерным признакам.
1. Сооружение пилонов в штольнях до проходки основных тоннелей (см. рис. 443). Согласно этой схеме возведение пилонов в первую очередь обеспечивает наименьшее нарушение целостности конструкции, но требует применения маломеханизированных процессов работ.
2. Сооружение пилонов частично при основной проходке с последующей проходкой проемов и бетонированием пилонов. Работы согласно данной схеме соответствуют обычному способу при обделке из чугунных тюбингов. В этом отношении рассматриваемая схема может быть оценена положительно, хотя при ее применении степень ослабления, конструкции при сооружении проемов несколько больше, чем в предыдущей.
3. Параллельное сооружение основных тоннелей, пилонов и проемов. Разработку породы в забое с учетом размещения и монтажа сборных пилонов ведут одновременно с сооружением основной конструкции тоннелей эректором. Это дает гарантию единства работ конструкции, но требует принятия мер против повреждения пилонов при ведении взрывных работ.
4. Сооружение пилонов при основной проходке с последующим усилением проемных участков. Работы по этой схеме можно выполнять с применением усиливающих элементов как сборной, так и монолитной конструкции
В последнем случае трудно обеспечить одинаковую жесткость основной конструкции и дополнительных элементов ее усиления.
Сооружение станций метрополитенов из сборного железобетона в устойчивых породах (рис. 548) по первой схеме отличается определенностью и четкостью производственных процессов и статической работы конструкций на всех фазах строительства. При этом необходимо по возможности упразднить главный недостаток этой схемы — малую степень механизации.
Проходка двухъярусных штолен общей высотой 6,6 м и средней шириной 4 м может быть механизирована путем применения проходческого агрегата — так называемого «щелевого» щита. Штольневую металлическую или железобетонную крепь устанавливают специальными подъемниками.
Процесс бетонирования наиболее эффективен при металлической сборной опалубке и подаче бетона при помощи пневмобетоноукладчиков, опыт эксплуатации которых показал надежность и простоту их работы, а также высокую степень уплотнения бетона. Узость фронта работ требует ведения бетонирования отступающим забоем.
После 28-дневной выдержки бетона пилонов может быть осуществлена с опережением на 25—30 м эректорная проходка боковых тоннелей с одновременной разборкой штольневой крепи.
Монтаж железобетонных блоков эректором обычного рычажного типа необходимо производить с высокой точностью, в особенности в местах примыкания к пилонам.
Средний тоннель может быть пройден в один или два этапа тем же эректором. Характер развития всего комплекса работ по длине тоннеля в основном аналогичен известной схеме эректорной проходки.
Способ параллельного сооружения основных тоннелей станции, пилонов и проемов (рис. 549) применим только в крепких устойчивых породах, в которых нет необходимости крепить забои в тоннелях и проемах. Особенность проходческих работ при несимметричном очертании выработки заключается в необходимости ведения буровзрывных работ в два приема.
В первую очередь разрабатывают породу основного забоя (рис. 549, о), а затем дорабатывают сторону, примыкающую к будущему среднему тоннелю. Контур дополнительной выработки включает конструктивные размеры всего пилона, благодаря чему устраняется опасная для целостности конструкций сложная доработка.
Для более точного оконтуривания выработки бурение ведут по нормали к ее продольной оси. После уборки взорванной породы и проверки профиля выработки осуществляют монтаж сборного пилона при помощи рычажногс блокоукладчика (рис. 549, б). В состав пилона укладывают все прямоугольные блоки, а блоки фигурные устанавливают только со стороны главной выработки. Место, подготовленное для установки в дальнейшем симметричного фигурного блока, ограждают временной крепью.
Рис. 548. Схема сооружения пилонов до проходки основных тоннелей станции: I—VI — этапы проходческих работ; /' — бетонирование
Рис. 549. Схема параллельного сооружения основных тоннелей, пилонов и проемов
При монтаже в пределах проема клинчатых блоков перемычки необходимо применять временное заполнение. Последнее может быть в виде сборной металлической рамы или в виде железобетонных блоков.
Погрузочно-транспортные работы, осуществляемые при помощи погрузочной машины, транспортера-перегружателя и электровозной откатки большегрузных вагонов, ведут сначала в двух боковых тоннелях с опережением 25—30 м.
Проходческие и монтажные работы, выполняемые в среднем тоннеле, менее трудоемки, так как конфигурация забоя более проста, а пилоны и проемы готовы. При монтаже элементов обделки среднего тоннеля сначала устанавливают рычажным блокоукладчиком опорные фигурные блоки марки С-8, а затем блоки основного тоннеля и убирают элементы временного заполнения
проемов.
Основное достоинство этой схемы производства работ заключается в одновременности вступления в работу всей конструкции станции в целом по мере
ее осуществления.
Недостатком можно считать то, что взрывные работы ведут в непосредственной близости к только что собранным из отдельных элементов конструкциям пилонов и перемычек, что требует тщательного подбора параметров буро-
взрывных работ.
Общее развитие строительно-монтажных и гидроизоляционных работ сле-
дует проводить по схеме эректорной проходки.
Предварительное усиление проемных участков до их непосредственной
разработки первоначально выполняют постановкой сборных железобетонных рам по контуру проема (рис. 550).
Первой устанавливают нижнюю балку-перемычку /, затем верхнюю 2 и, наконец, боковые стойки 3.
Основные строительно-монтажные работы по этой схеме можно вести сначала в боковых, а затем в среднем тоннеле щитовым или эректорным способом в зависимости от геологических условий.
Монтажные работы, связанные с усилением проемов, необходимо проводить после окончания контрольного нагнетания и соответствующей выстойки бетона, чтобы в основной конструкции прекратились все деформации без каких-либо нарушений ее целостности.
проема
Монтажные работы выполняют с применением специальной рамы (рис. 551). Монтажную раму оборудуют подъемными и выдвижными приспособлениями (балками), приводимыми в действие от комплекта редукторных электролебедок и гидравлических домкратов. Такую раму в период производства монтажных работ распирают в конструкцию обделки, а после его окончания перевозят к следующему проему. После демонтажа блоков заполнения дополнительно установленная сборная железобетонная рама становится составным элементом основной конструкции станции. Поэтому включение в работу этой рамы должно быть выполнено при монтаже заклиниванием стыков с применением фиб-робетона.
Процесс удаления двух боковых блоков при наличии замка не представляет затруднения; никакого ослабления основной конструкции при этом не происходит, что является достоинством рассматриваемого решения.
Для преодоления указанных в § 121 конструктивных недостатков разработана и внедрена в практику видоизмененная схема конструкции усиления проемного участка, в соответствии с чем изменен состав строительно-монтажных работ. Такая видоизмененная конструктивная схема внедрена в практику строительства Киевского метрополитена. Она предусматривает при основной проходке проемных участков боковых и среднего тоннелей укладку в состав каждого кольца двух фигурных блоков, имеющих на половине длины паз. Эти пазы образуют в обделке продольную выемку на всем протяжении проемной части сверху и снизу последней.
Способ усиления проемной части заключается в том, что в пределах этой выемки сооружают на месте железобетонную балочную перемычку, которая должна воспринять нормальные силы после разобщения кольцевой обделки при раскрытии проемов.
Производственный процесс по сооружению тоннелей такой станции в основном не отличается от обычного при щитовой или эректорной проходке. Некоторое отличие заключается в способе усиления проемной части. Для большей гарантии точности монтажных работ и сохранности геометрически правильного очертания обделки на всем протяжении проемной части устанавливают поперечные стальные стяжки в один или несколько ярусов.
Арматурные и опалубочные работы и бетонирование продольных балочных перемычек проводят с использованием подвижных или стационарных подмостей. Бетонную массу подают непрерывно механизированным способом при помощи пневмобетоноукладчиков или бетононасосов. Ручное бетонирование допустимо лишь как исключение, так как приводит к большим трудовым затратам и увеличению общих сроков строительства.
Рис. 551. Схема механизации работ по усилению проемных участков станции:
/ — монтажная рама; 2 — распорные домкраты; 3 — электротельферы; 4 — балки; 5 — лебедка
Проходку среднего тоннеля можно вести лишь после достижения балочными перемычками боковых тоннелей проектной прочности. Натяжные камеры с обделкой из сборного железобетона возможно сооружать лишь после проходки боковых тоннелей. При сооружении станции с пилонами из сборного железобетона последние необходимо возводить при проходке каждого тоннеля с соблюдением следующей очередности: бетонирование и выдержка балочных перемычек в боковых тоннелях; проходка среднего тоннеля; бетонирование и выдержка балочных перемычек в среднем тоннеле; раскрытие проемов и бетонирование обделки проходов.
Работы по раскрытию проемов и сооружению обделок проходов необходим» выполнять также в определенной последовательности, обеспечивающей устойчивость массива и конструкций. К этим работам относятся: удаление верхних проемных элементов; разработка породы и крепление; установка опалубки; бетонирование свода и стен; удаление нижних проемных элементов и разработка породы; бетонирование нижних частей стены и обратного свода; нагнетание цементного раствора за обделку прохода.
§ 152. СООРУЖЕНИЕ ТРЕХСВОДЧАТЫХ СТАНЦИЙ КОЛОННОГО ТИПА
Сооружение станций с обделкой из чугунных тюбингов. Этапы работ по возведению таких станций должны быть подчинены условиям сохранения устойчивости массива окружающих пород, совместности работы всех элементов сложной пространственной конструкции, одновременности включения в работу колонн, располагаемых в одном поперечном сечении станции, обеспечения от смещений боковых тоннелей и от наклона колонн. С учетом этих требований отечественной практикой установлен и рекомендован следующий состав и порядок работ: проходка боковых тоннелей; монтаж внутренних конструкций; проходка верха средней части; разработка ядра и удаление боковых участков тюбингов; разработка основания ядра и бетонирование плиты или сооружение обратного свода. Проходку боковых тоннелей выполняют при помощи станционных щитов или эректоров с опережением в 25—30 м.
К особенностям этих работ относится постановка в состав комплекта элементов чугунной обделки одного и как вариант — двух фигурных тюбингов, помещаемых в плоскости ряда колонн. Эти тюбинги (см. рис. 445) служат для передачи на колонны равнодействующих усилий от пят опирающихся сводов, поэтому при их монтаже необходима высокая степень точности (± 15 мм).
Вместо нижних фигурных тюбингов возможно устройство железобетонных ленточных фундаментрв. В этом случае следует предварительно зачека-нить лотковую часть тоннелей.
По мере создания необходимого фронта работ (30—40 м) приступают к монтажу прогонов и колонн. При этом необходимо отметить обязательное требование одновременной постановки и включения в работу сразу двух колони, находящихся в поперечном сечении станции. В противном случае одинаковая загрузка колонн не может быть достигнута.
Последовательность операций по монтажу внутренних элементов зависит от материала опорных конструкций. При чугунной пяте в виде фигурного тюбинга вначале монтируют нижний прогон, затем верхний и, наконец, колонну. После рихтовки и тщательной выверки положения колонны осуществляют ее опрессование при помощи гидравлических домкратов с последующим заполнением щелевого пространства фибробетоном.
При железобетонном ленточном фундаменте и промежуточных стальных плитах последовательность операций несколько изменяется. Вначале монтируют верхний прогон с временной его поддержкой-при помощи приспособлений, описываемых ниже, затем — колонну, которую фиксируют в правильном положении при помощи анкеров. Верх колонны при этом несколько отстоит от верхнего прогона. После этого прогон опускают на колонну, а'щель, образующуюся между прогонами и верхним фигурным тюбингом, заполняют фибробетоном.
При монтаже применяют передвижной кран (рис. 552), снабженный двумя верхними неподвижными консолями 1 и двумя нижними поворотными консолями 3. Первые оборудованы 15-тонными грузовыми полиспастами, а вторые — 7,5-тонными талями. На нижних консолях помещены подвижные тележки 2, перемещаемые в поперечной плоскости тоннеля. Продольное перемещение всего крана осуществляется по рельсовым путям. До начала монтажных работ такой кран приводят в рабочее положение подведением подкладок и распиранием винтовыми домкратами. Монтажные работы ведут с использованием поворотных и неподвижных консолей. Подъем прогонов и колонн выполняют при помощи полиспастов, а их перемещение на место — при помощи тележек. Состав бригады монтажников 7 чел. Скорость ведения работ — 1 компл. в смену.
Проходку средней повышенной части станции можно осуществлять двумя способами: при помощи полущита или горным способом. В первом случае, применяемом в породах, требующих надежного крепления забоя и кровли на каждом этапе проходки, конструкция полущита и его опорных частей, а также способы производства работ имеют ряд специфических особенностей (конструктивные особенности были рассмотрены в § 85).
К числу производственных особенностей проходки средней части относится организация транспортных работ (рис. 553). В одном случае откатку породы и подачу тюбингов можно осуществлять на уровне верха ядра средней части станции, который определяется из условия, что транспортные работы необходимо вести независимо от монтажных. В этом случае в торцовой части станции устраивают переподъем для породы и тюбингов. При такой схеме транспортные работы не зависят от строительно-монтажных операций, проводимых в боковых тоннелях.
В другом случае может быть принята комбинированная схема транспортных работ, при которой подачу тюбингов ведут на уровне верха ядра породы среднего тоннеля, а выдачу породы осуществляют при помощи транспортеров, расположенных в боковых тоннелях. Для перемещения разработанной породы из забоя полущита на транспортеры необходимо устройство передвижных бункеров и последовательное удаление тюбингов, примыкающих к опорным. При этом порода кратчайшим путем будет перемещаться вниз без каких-либо дополнительных затрат энергии. Такая схема впервые была с успехом применена при сооружении станции «Маяковская» Московского
Рис. 552. Передвижной кран для монтажа впутритоп-нельных конструкций
метрополитена, где продольные транспортеры располагались между колоннами и стенами тоннелей. В случае применения распорок и затяжек в своде среднего тоннеля их монтаж при работе по этой схеме проводят вслед за проходкой полущитом среднего тоннеля с использованием верхнего уровня ядра. Установку распорок и затяжек следует делать быстро и тщательно. Во избежание каких-либо смещений верхних опорных узлов в боковых тоннелях рекомендуется устанавливать стяжки. Для механизации этих работ применяют компактные краны и электролебедки.
Рис. 553. Схема организации транспортных работ в среднем тоннеле (I вариант):
/ — подъемник; 2 — подвесной путь; 3 — транспортер; 4 — погрузочная машина
Разработку ядра, производимую одновременно с удалением временных тюбингов боковых тоннелей, выполняют либо сплошным забоем с одного или двух концов станции, либо раскрытием поперечных траншей. Первый, более производительный способ, применяемый в устойчивых породах, позволяет использовать крупную механизацию при удалении породы и боковых тюбингов. Например, может быть применен полноповоротный экскаватор, как это с большим успехом было сделано при сооружении станции «Комсомольская-кольцевая» Московского метрополитена. Чтобы обеспечить устойчивость боковых тоннелей, обычно ограничивают максимальную длину заходки и участка бетонирования до 6 м.
В случае опасности боковых смещений тоннелей станции применяют другой — траншейный — способ разработки ядра. Он заключается в том, что первоначально в ядре раскрывают несколько поперечных траншей шириной 3 м с соответствующим их креплением до отметки основания распорной плиты и бетонированием последней. После вступления плиты в работу продолжают удаление ядра и боковых тюбингов из каждой траншеи в обе стороны в направлении, параллельном оси станции, и бетонирование плиты. Такой способ может быть обоснован только особыми условиями. Он, в частности, был применен при сооружении станции «Маяковская» Московского метрополитена.
В зависимости от геологических условий и конструктивных особенностей станций колонного типа комплекс работ по их возведению может иметь несколько разновидностей. Так, при сооружении станций этого типа в устойчивых породах разработку породы и монтаж обделки в среднем тоннеле можно осуществлять горным способом с применением тюбингоукладчика. При большой высоте забоя такую разработку целесообразно вести в 2—3 яруса. При отсутствии распорок возможно вести работы в менее стесненных условиях с применением крупной механизации.
Станции колонного типа нашли применение и развитие при сооружении Ленинградского метрополитена (см. рис. 444). Наряду с конструктивными усовершенствованиями (криволинейные распорки, сварные колонны) был успешно применен полущит с однорычажным тюбингоукладчиком, позволившим вести укладку всех тюбингов среднего тоннеля, включая фигурные и боковые. Была применена комбинированная погрузка и перемещение породы транспортерами по верху ядра на длину до 40 м с последующим ее сбрасыванием по наклонному лотку в вагонетки, находящиеся в боковом тоннеле.
Ввиду большого объема работ при возведении внутритоннельных конструкций на станциях колонного типа необходимо рассредоточение грузопотоков породы и конструктивных элементов. С этой целью для подачи последних обычно выделяют один ствол шахты или эскалаторный тоннель.
К недостаткам производственного процесса возведения станций колонного типа относится многоэтапность работ, необходимость соблюдения высокой степени точности на всех этапах и проведения всех строительно-монтажных операций с использованием специального кранового оборудования.
Возможен вариант станции колонного типа, выполняемой как цельно-чугунная конструкция. Принципиальная схема такой станции, примененной в устойчивых породах (см. рис. 449), включает три тоннеля, сопряженных при помощи сборных колонн, состоящих каждая из двух полуколонн, пролет между которыми вдоль станции перекрыт сборными арочными перемычками.
17 Зак. 120 7 521
Сооружение станции может быть осуществлено по двум схемам. По одной
из них вначале ведут проходку среднего тоннеля на полное сечение щитом со съемными боковыми частями с одновременной установкой полуколонн на расстоянии 50 м от забоя, клинчатых перемычек и тюбингов заполнения. После этого осуществляют проходку одного, а затем другого бокового тоннеля тем же щитом, но со снятой боковой частью. Одновременно разбирают мешающие продвижению щита боковые тюбинги среднего тоннеля и устанавливают вто-
рые ветви полуколонн.
По другой схеме вначале ведут последовательную щитовую проходку боковых тоннелей, сопровождаемую монтажом полуколонн, перемычек и тюбингов заполнения. После этого сооружают средний тоннель при помощи специального щита, имеющего форму двухголовой заклепки, разборкой боковых тюбингов пройденных ранее тоннелей и с постановкой вторых ветвей полуколонн и фигурных тюбингов перемычек.
Впервые такая станция была сооружена в Ленинграде по первой схеме, позволившей осуществить сложные строительно-монтажные работы.
Главным производственно-конструктивным недостатком станции этого типа следует считать ее многоэтапность, наличие большого числа тюбингов, необходимость принятия дополнительных мер для усиления проемных элементов. Все это привело к осложнению производственного процесса и, как результат, к сравнительно высокой стоимости.
Значительный интерес представляет сооружение колонной станции «Площадь Ногина». Для сооружения боковых тоннелей применен способ пилот-тон-неля (см. рис. 544) в сочетании с буро-взрывным способом разработки породы. Для обеспечения безопасности работ был создан несущий породоцементный свод нагнетанием цементного раствора в пробуриваемые скважины глубиной 1,5—1,8 м. Кроме этих скважин, были пробурены водопонизительные скважины глубиной 2,0—2, 2 м. Обделку монтировали из чугунных тюбингов и типовых клинчатых перемычек АК-1, АК-2 и АК-3 с одновременной постановкой и подклиниванием ветвей колонн (рис. 554) со скоростью одно кольцо в смену.
Такой способ сооружения боковых тоннелей колонной станции был впервые применен на строительстве Московского метрополитена. При этом способе зазоры между, колоннами и временным заполнением (из тюбингов) закрывают инвентарной опалубкой и проводят нагнетание песчано-цементного раствора
с последующим контрольным нагнетанием за нижние и верхние перемычки.
После проверки качества нагнетания периодически разрабатывают средний тоннель на полное сечение заходками по 1,5 м. Обделку монтируют, начи-
ная от пят к центру, а затем в своде со средней скоростью 1,5 м/сутки.
Сооружение станций с обделкой из сборного железобетона. Сооружение
станций колонного типа из сборного железобетона по аналогии с конструкцией из чугунных тюбингов (см. рис. 444) при сближенном расположе-
Рис. 554. Схема монтажа элементов 1—15 в боковом тоннеле
нии трех тоннелей, сопряженных при помощи колонн, возможно по следующей принципиальной схеме. Вначале ведут эректорную или щитовую проходку одного бокового тоннеля, затем второго и, наконец, среднего.
В составе конструкции боковых тоннелей должно быть предусмотрено такое расположение железобетонных тюбингов, которое обеспечивает возможность удаления боковых участков обделки в третьей фазе работ.
В плоскость установки колонн должны быть включены фигурные тюбинги (рис. 5551. состоящие из двух частей — постоянной 1 и съемной 2. Первая часть конструктивно сопрягается с торцом нормального тюбинга.
с плоскостью прогона и со съемной частью. Вторая — съемная — часть, дополняя первую
Рис. 555. Фигурный тюбинг
часть до размеров нормального тюбинга, сопрягается с ней, с прогоном и с торцом тюбинга временного заполнения.
При проходке боковых тоннелей (с опережением забоя на 30 м) эректором ведут монтаж обделки, включающей верхние и нижние фигурные тюбинги, с последующей установкой прогонов и колонн на расстоянии 45—50 м от забоя.
При проходке среднего тоннеля сначала демонтируют съемные части фигурных тюбингов и тюбингов заполнения, а затем возводят верхний и нижний своды основной конструкции с опиранием их на колонну в местах удаленных частей. Эти работы ведут эректором с укороченным рычагом.
Развитие работ в продольном направлении соответствует схеме проходки эректором в крепких породах. Необходимо отметить, что монтажные работы следует вести с высокой точностью ввиду наличия в сборной железобетонной конструкции нескольких плоскостей сопряжения.
Сооружение станций, состоящих из трех незамкнутых сводов (см. рис. 457), может быть выполнено по следующей схеме: последовательная проходка боковых тоннелей на всю высоту сечения с опиранием сводов на породу; монтаж колонн и прогонов; проходка средней части станции с опиранием свода на фигурные опорные блоки боковых сводов.
К разновидностям трехсводчатых станций относится станция без боковых платформ (см. рис. 453), которая по своей конструкции близка к трехсводчатой колонной. Главное отличие ее заключается в том, что средний повышенный свод большого пролета (9,1 м) имеет общие чугунные опоры в виде стен с боковыми тоннелями малого пролета (5,1 м).
Сравнительная сложность сооружения станций этого типа обусловила применение видоизмененной организации работ и специальных способов временного крепления тоннелей.
Первый этап работы представляет собой обычную механизированную проходку перегонных тоннелей, не требующую сооружения монтажных камер в пределах станции. К особенностям этих работ относится включение в состав железобетонной обделки фигурных металлических тюбингов.
Второй этап заключается в сооружении в каждом боковом тоннеле опорных чугунных стен. Эта операция выполняется при помощи обычного тюбин-гоукладчика. -
Третий этап представляет наиболее интересный вид работ — сооружение средней части станции при помощи щита некругового поперечного сечения.
Сооружение щитовой камеры, монтаж и вывод щита на трассу имеют ряд особенностей. К числу их относится прежде всего конструкция самой камеры (рис. 556). Щитовая монтажная камера состоит из верхнего бетонного свода, опирающегося на железобетонную обделку боковых тон нелей, внутри которых на протяжении длины камеры предварительно делают временную бутобетонную или кирпичную кладку с проемами для пропуска транспорта и обратный свод.
Опирание верхнего свода осуществляют через прокладные тонкостенные плоские стальные сосуды 1, заполненные холодной битумной эмульсией, искусственно разжижаемой при помощи подогрева через
трубы 3. Назначение этих Рис. 556. Схема щитовой монтажной камеры 17* 523
Рис. 557. Схема сооружения среднего станционного тоннеля
сосудов — обеспечить передачу опорных реакций свода на обделку боковых тоннелей только на период работ по монтажу и выпуску щита на трассу.
По мере сооружения в пределах камеры постоянной обделки из железобетонных тюбингов забучивают пространство между обоими сводами с последующим нагнетанием раствора. После этого постепенно выпускают битумную эмульсию из опорных стальных сосудов, в результате чего давление от верхнего бетонного свода будет передано на нижний железобетонный, так как непосредственный контакт с обделкой боковых тоннелей будет исключен.
Для обеспечения требуемой тщательности работ необходимо вести укладку опорных сосудов на растворе с постановкой дощатых ограждений.
Выпуск эмульсии для равномерной передачи нагрузки от верхнего свода на основную конструкцию станции следует вести одновременно из всех опорных сосудов отвертыванием запорных пробок 2 (см. рис. 556).
После сооружения и оборудования щитовой камеры монтируют станционный щит 1 некругового очертания (рис. 557) с рычажным тюбингоукладчиком 2 ленинградского типа, помещенным на щите.
До вывода щита из камеры выполняют профилактические мероприятия в боковых тоннелях, имеющие целью предотвратить перегрузку обделок этих тоннелей при возможных перекосах щита. Устанавливают опоры рамной конструкции 5 в боковых тоннелях с опережением щита на 10—20 м. Устанавливая рамы, необходимо производить тщательное расклинивание стоек.
При выводе щита из камеры ведут монтаж железобетонных тюбингов свода и временных чугунных тюбингов лотка (впоследствие заменяемых блоками, распираемыми съемным домкратом) при помощи лебедок и с постановкой трубчатых распорок 6 и 7 (d = 220 мм). При выходе щита за пределы камеры монтаж тюбингов ведут эректором. Для возможности заполнения бутобетонной кладкой межсводного пространства в обделке оставляют проемы.
Сооружение среднего тоннеля станции щитом имеет также особенности. Породы разрабатывают отбойными молотками и убирают скребковым 9 и ленточным 8 транспортерами, помещаемыми в нижней средней ячейке щита.
По мере сооружения тоннеля периодически перестанавливают трубчатые распорки верхнего и нижнего ярусов. Верхнюю (последнюю от забоя) распорку снимают и перемещают в повое положение (первое от забоя) при помощи ручных и электрических талей, помещаемых на монтажной тележке. Нижнюю распорку, перевозимую при помощи вагонеток, перестанавливают таким же способом. Одновременно с передвижкой щита перемещают монтажные тележкп 3 и 4, расположенные на верхних распорках, и ленточный транспортер.
Транспортные работы можно осуществлять через наклонный эскалаторный тоннель или через ствол шахты. В первом случае поток породы и материалов направляют вдоль среднего тоннеля при помощи транспортеров и вагонеток. Во втором случае целесообразно использовать для транспорта один из боковых тоннелей. В устойчивых породах сооружение среднего тоннеля может быть проведено горным способом в два этапа с применением тюбингоуклад-чика: вначале — сводовой части, а затем — нижней.
РАЗДЕЛ V
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ, ГОРОДСКИЕ И СУДОХОДНЫЕ ТОННЕЛИ
Глава 39
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ ТОННЕЛИ
§ 153. КОМПЛЕКС ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ В ГИДРОТЕХНИЧЕСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Использование водных ресурсов горных районов позволяет получить самую дешевую электрическую энергию. Эффективность гидротехнического строительства в таких районах значительно увеличивается, когда вода к турби
нам электростанции подводится не по каналам и лоткам, а при помощи тоннелей. Эти искусственные сооружения позволяют подвести воду кратчайшим путем со значительно большими напорами.
Отвод воды из водоема или водотока для технических целей принято называть деривацией. Поэтому тоннели ГЭС, подводящие воду, называют дери-
вационными.
В систему сооружений гидроэнерогузла деривационного типа (рис. 558) входят: головной узел 1, подводящий водовод 2, уравнительная шахта 3, турбинный водовод 4, машинное здание 5 и отводящий водовод 6.
Расположение машинных помещений ГЭС в подземных выработках обходится дороже, чем строительство наземных машинных зданий, но освобождает от трудностей, связанных с нахождением в сложном горном рельефе площадки для станций, и значительно сокращает длину деривации, а также связанные с нею гидравлические потери напора. В конечном счете подземное расположение машинного помещения ГЭС во многих случаях оказывается экономически более выгодным, чем наземное. Этим и объясняется их широкое рас-
пространение в последние десятилетия.
В зависимости от места, занимаемого машинным зданием в системе гидро-
узла, различают головную, промежуточную и концевую схемы компоновки, которые в свою очередь зависят от геологических условий.
При расположении машинного здания вблизи водохранилища схему называют головной. В этом случае длина подводящего тоннеля предельно сокращается, а отводящего — удлиняется. Когда машинное здание расположено в средней части участка деривации,
схема носит название промежуточной (см. рис. 558). В концевой схеме машинное здание располагается в конце деривации. Эту схему используют при стремлении расположить здание ГЭС ближе к поверхности.
Головной узел состоит из устройств, обеспечивающих нормальную .работу водозабора и примыкающего к нему подводящего водовода при различных режимах.
Подводящие тоннели служат для подвода воды к турбинным водоводам. При значительных колебаниях уровня водохранилища и глубинном водозаборе их устраи-
Рис. 558. Схема сооружений подземной ГЭС
вают напорными, работающими полным сечением с пропуском воды, находящейся под избыточным давлением до 6—7 кгс/см2.
К безнапорным относят водоводы, работающие неполным сечением. Их применяют при достаточном постоянстве уровня водохранилища, позволяющем осуществить забор воды из верхних слоев.
На выбор типа подводящего тоннеля, кроме отмеченных выше факторов, оказывают влияние рельеф местности и инженерно-геологические условия. Так, если условия рельефа позволяют устроить в конце тоннеля выравнивающий бассейн, применение безнапорного тоннеля будет экономически выгоднее, чем напорного, так как при этом отпадает необходимость в устройстве уравнительной башни.
Если по условиям работы тоннель может быть принят как напорным, так и безнапорным, то его тип нужно выбирать на основе технико-экономического сравнения вариантов.
При выборе высоты расположения напорного подводящего тоннеля необходимо предусмотреть сохранение в нем достаточного напора при всех невыгодных сочетаниях расчетных условий так, чтобы на всем протяжении тоннеля над шелыгой свода оставался запас давления не менее 2 м для тоннелей I и II классов и 1,5 м для тоннелей III и IV классов (см. СН238-63).
В конце подводящего тоннеля, вблизи места соединения с турбинным водоводом, располагают уравнительную башню (ствол шахты) или напорный бассейн открытого типа. Уравнительная башня предназначена для смягчения гидравлических ударов в напорном тоннеле при изменении режима работы турбин. В случае безнапорной деривации бассейн обеспечивает удобство сопряжения с напорным турбинным водоводом.
Турбинный напорный водовод, называемый еще шахтным, бывает вертикальным или наклонным и служит для создания основного перепада воды, обеспечивающего использование ее кинетической энергии для работы электростанции.
Машинное здание размещают в большой камере, размеры которой по высоте и пролету достигают нескольких десятков, а по длине — нескольких сотен метров. Для успешного строительства таких камер необходимо их расположение в благоприятных геологических условиях. В крепких скальных породах конструкция обделки машинного здания может быть выполнена легкой и в ряде случаев имеет чисто облицовочный характер.
В машинном здании размещают турбины, электрическое оборудование, а также подъемные краны для монтажных, демонтажных и ремонтных работ.
Машинные помещения сообщаются с поверхностью посредством специальных транспортных тоннелей или стволов шахт, размеры которых определяются габаритами неразборных узлов машин и механизмов, устанавливаемых в машинном здании.
В этих же тоннелях или шахтных стволах размещают различные коммуникации, необходимые для нормальной эксплуатации ГЭС.
Отводящие тоннели пропускают воду, отдавшую свою энергию, в русло водотока или в водоем и обычно являются безнапорными, так как для максимального использования разности уровней воды отметку расположения здания ГЭС принимают возможно более низкой.
Кроме перечисленных подземных сооружений, в ряде случаев строят соединительные тоннели, объединяющие водные ресурсы соседних водоемов. Вспомогательное значение имеют сбросные тоннели, по которым спускается из водохранилища избыток воды. В период сооружения плотины ГЭС возникает необходимость во временном отводе воды из русла реки. Для этой цели устраивают специальные строительные тоннели.
В зависимости от назначенного режима работы соединительные, сбросные и строительные тоннели также могут быть как напорными, так и безнапорными.
Трассу деривационных тоннелей стремятся проектировать прямолинейной, чтобы уменьшить их длину, улучшить условия проходки и сократить потери напора при эксплуатации.
Непрямолинейную трассу можно принимать лишь в тех случаях, когда это вызывается требованиями компоновки гидроузла или необходимостью открытия дополнительных забоев для проходки длинных тоннелей, а также при обходе в горном массиве участков с неблагоприятными геологическими условиями. При этом углы поворота не должны превышать 60°. Минимальный радиус поворота ограничивается пятикратной шириной тоннеля в свету. Прямолинейные участки тоннеля сопрягаются с криволинейными посредством переходных кривых, улучшающих гидравлические условия потока.
Предельные уклоны деривационных тоннелей принимают минимальными, обеспечивающими проектный режим работы. Это делается для сохранения наибольшей разницы отметок турбинного водовода и получения максимального напора у турбин.
Проектирование гидротехнических тоннелей ведут в соответствии с указаниями СН238-63.
§ 154. КОНСТРУКЦИИ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
Водозабор тоннельного типа. При напорной деривации тоннельный водозабор размещают возможно глубже, но несколько выше дна водохранилища так, чтобы входное отверстие водозабора было выше расчетного уровня отложения насосов.
Водозабор (рис. 559) состоит из раструбного водоприемника 3, плавно переходящего к нормальному сечению подводящего водовода; водоприемника, огражденного шандорами 1 и решеткой 2, и камеры затворов 7. С целью использования обычных дисковых затворов водовод перед камерой разделен на два рукава 8 меньшего сечения. Камера затворов объединяет узел, к которому сверху примыкает ствол шахты 4, используемый при строительстве и эксплуатации узла. В стволе шахты размещен воздухопровод 5, который проходит в верхней части напорного подводящего тоннеля и служит для предотвращения образования вакуума в водоводе при спуске воды и воздушных пробок при его наполнении. Со стороны, противоположной водозабору, к камере примыкает подводящий тоннель 6.
Размеры водоприемника определяют из расчета на пропуск через него воды с небольшой скоростью течения (0,8—1,6 м/с), что приводит к минимуму потери напора в водоприемнике. Конструктивную форму головного узла и его расположение устанавливают экспериментально на моделях. Это позволяет принимать лучшие гидравлические режимы и оптимальные формы конструкции.
Материалом для строительных конструкций водозабора служит монолитный бетон и железобетон. Для сооружения ствола шахты, кроме перечисленных материалов, может быть использован сборный железобетон.
Безнапорные тоннели используются обычно для отводящего водовода и реже — для подводящего. Пропускная способность таких тоннелей в основном определяется площадью их поперечного сечения и продольным уклоном, от которого зависит скорость течения. Формы внутреннего очертания, рекомендуемые для безнапорных тоннелей указаниями СН 238-63 (рис. 560), преимущественно очерчиваются коробовыми кривыми. Форма I — для крепких нетрещиноватых скальных пород, в которых горное давление не проявляется. Форма II — для пород средней крепости с коэффициентом крепости f > 3 при отсутствии
Рис. 559. Схема водозабора тоннельного типа
бокового давления. Форма III — для пород с коэффициентом крепости f = = 1,5 4-3 при большом вертикальном и незначительном горизонтальном горном давлении. Форма IV — для слабых пород (при 1,5) с большим всесторонним горным давлением.
Практикой проектирования и строительства безнапорных гидротехнических тоннелей выработаны определенные соотношения между размерами их поперечных сечений. Так, независимо от формы поперечного сечения при незначительных колебаниях уровня воды рекомендуется проектировать их с одинаковыми размерами в свету по высоте Н и ширине В. Если колебания уровня воды в тоннеле значительны, то рекомендуется соотношение Н =1,5 В. Такое же соотношение принимают для участков тоннелей, имеющих переменную высоту.
Сечение безнапорного тоннеля при максимальном его заполнении водой в верхней части должно оставаться свободным; минимальная высота воздушного пространства над поверхностью воды должна составлять 0,15Я и не менее 40 см.
Для других геометрических параметров, обозначенных на рис. 560, рекомендуются следующие соотношения:
форма I гх = 0,75В; г2 = (0,1—0,15) В;
» II гх = 0,5В; г2 = (0,1 —0,15) В;
» III г1 = 0,25В; гг = (0,2—0,25) В, гэ = (1 4-2) В;
» IV ^ = 0,5 В; г2 = (0,1 — 0,15) В;
г3=(1—2)В; г4 = (1 —1,5) В.
Размеры поперечного сечения безнапорного тоннеля определяют техникоэкономическим расчетом (см. СН238-63, приложение). Предварительно выбирают форму поперечного сечения (см. рис. 560). Затем вычисляют гидравлический радиус R наивыгоднейшего сечения в зависимости от различных расхо дов воды и факторов сопротивления ее движению, длины тоннеля, показателе? гидроагрегата, турбины и генератора, расчетных издержек и амортизационных отчислений.
Размеры поперечного сечения в свету определяют:
а) для корытообразной формы II по формуле В = Н = 3,28 R-,
б) для коробовой формы IV по формуле В = Н = 3,26 R.
Минимальные размеры сечений безнапорных тоннелей ограничиваютс? условиями безопасности и удобства производства работ. Для тоннелей без обделки наименьшая высота Н = 2,5 м и ширина при форме I В = 2 м, а пр: форме II В = 2,5 м. Для тоннелей с обделкой — Н = 2,1 м, ширина при форм" IB = 1,9 м, а при форме II В = 2,1 м. Наименьший диаметр тоннеля круговог очертания без обделки D = 2,7 м, с обделкой D = 2,3 м. Для максимальны: размеров тоннелей ограничений нет.
Круговое очертание поперечных сечений безнапорных тоннелей применяют значительно реже, чем формы, показанные на рис. 560. Оно рациональн: при проходке в слабых породах и в случае значительного внешнего гидростатического давления на обделку тоннеля.
В крепких нераомываемых и невыветривающихся скальных породах допускается оставлять безнапорные тоннели без обделок. Однако для уменьшен?:? шероховатости и снижения гидравлических потерь от трения рекомендуете1 покрывать внутреннюю поверхность выработок в таких тоннелях выравнивающим слоем бетона при помощи торкретирования или набрызга. В качестье материала конструкций безнапорных тоннелей обычно применяют монолитный бетон.
Конструкции тоннельных обделок из монолитного бетона применительн: к рассмотренным формам показаны на рис. 561. Конструкции I и II выполняю-роль выравнивающей облицовки. Поэтому в крепких породах обделка I в верхней части не замкнута, стены толщиной 20—30 см доведены только до максимального расчетного горизонта воды в тоннеле.
Рис, 560. Формы внутреннего очертания безнапорных тоннелей
Рнс. 561. Конструкции обделок безнапорных тоннелей
Обделки III и IV — несущие, рассчитанные на восприятие как вертикального, так и горизонтального горного давления. Толщину элементов таких конструкций определяют статическим и прочностным расчетом. Она зависит от размеров выработки и физико-механических свойств горных пород, в которых проходит тоннель.
Напорные гидротехнические тоннели и турбинные водоводы работают полным сечением, пропуская воду, находящуюся под большим избыточным давлением. Обделка напорных тоннелей воспринимает главным образом нагрузку от внутреннего гидростатического давления. Для такой нагрузки в большинстве случаев принимают круговую форму поперечного сечения, как наиболее рациональную.
При нормальной эксплуатации величина внутреннего давления в тоннеле превышает величину давления на обделку горных пород. Однако когда воду спускают, конструкция работает на нагрузку от горного давления. Кроме того, обделка даже при наличии башни воспринимает действие гидравлических ударов, возникающих при изменении режима работы турбин.
Чтобы потери напора были минимальными, внутренняя поверхность тоннеля должна иметь возможно меньшую шероховатость.
На рис. 562 показаны конструкции обделок напорных тоннелей для пород различной крепости и различных напоров воды.
В крепких скальных породах, не проявляющих горного давления и способных выдержать напор воды, применяют обделку облицовочного типа (рис. 562, а) толщиной 20—30 см. Несмотря на широкое применение гладкого взрывания при проходке гидротехнических тоннелей, внутренняя поверхность выработки обладает большой шероховатостью, которую выравнивают монолитным бетоном. Облицовочная обделка может быть успешно выполнена торкретированием или набрызгом с последующей затиркой мелких неровностей.
В трещиноватых, но крепких породах устраивают однослойную обделку из монолитного бетона (рис. 562, б). Наиболее перспективен для таких конструкций прессованный бетон. Для увеличения водонепроницаемости обделки окружающий горный массив подвергают цементации через скважины 1, пробуренные радиально из выработки. Необходимо отметить, что совместность работы обделки и окружающей породы в напорных гидротехнических тоннелях имеет еще большее значение, чем в транспортных тоннелях. В отличие от последних упругий отпор обделке напорного тоннеля при ее работе на внутреннее
гидростатическое давление обеспечивается по всей поверхности контакта тоннеля с породой.
У двуслойных обделок наружный слой делают бетонным (рис. 562, в) или сборным железобетонным (рис. 562, г), а внутрений выполняют торкретированием или набрызгом по стальной сетке. Назначение внутреннего слоя — улучшить работу конструкции на растяжение и увеличить ее водонепроницаемость.
Для обделок гидротехнических тоннелей, особенно напорных, фактор их водонепроницаемости имеет большое значение, так как непрерывная фильтрация напорной воды через трещины и каверны неизбежно приводит к выщелачиванию материала конструкции и горных пород, а это может оказаться причиной разрушения обделки. Поэтому для обеспечения надежной водонепроницаемости конструкции между слоями обделки закладывают листы изолирующих материалов рулонного типа в виде гидроизола, синтетических пленок или из металлической фольги. В зарубежной практике используют медную гофрированную фольгу. Однако в связи с тем, что трещины в обделке могут достигать нескольких миллиметров, самым надежным изолирующим материалом является гофрированная сталь толщиной 8—10 мм, листы которой сваривают между собой.
Трехслойная конструкция (рис. 562, д) имеет изоляцию, выполненную из гофрированной стали, деформирующейся совместно с обделкой. Чтобы изоляция не зажималась слоями бетонной обделки, над складкой 2 стального листа 3 снаружи приклеивают или приваривают корытообразные профили 1 из тонкой стали (рис. 563). С внутренней стороны подкладывают временные закладные элементы, которые после твердения бетона удаляют со стороны открытого торца обделки, обращенного к забою.
Стальную изоляцию можно использовать как опалубку для выполнения несущей бетонной обделки. Для работы на внешнее гидростатическое давление необходимо закрепить ее в сооружаемой обделке по одному из вариантов (рис. 564). Внутреннюю поверхность стальной изоляции защищают от коррозии слоем торкрет-бетона, нанесенного по сетке.
Менее совершенна изоляция из гладких стальных листов или коротких отрезков стальных труб, сваренных между собой.
Рис. 562. Конструкции обделок напорных тоннелей
.1
Рис. 563. Способ защиты гофры от зажима бе гопом
z
'wfwmmrrf.
3
В практике строительства напорных тоннелей получила применение сборная обделка, предварительно обжатая давлением цементного раствора, нагнетаемого в пространство между нею и выравнивающим слоем (см. § 74).
Размеры поперечного сечения напорного тоннеля определяют также по методу технико-экономического расчета (см. СН238-63, приложение).
Приняв круговую форму поперечного сечения, вычисляют гидравлический радиус R в зависимости от физических, геометрических факторов, характеристик машин и экономических показателей. Внутренний радиус обделки г оп-деляют из зависимости г = 2 R.
Конструкции турбинных водоводов аналогичны рассмотренным конструкциям напорных тоннелей. В комплексе каждой ГЭС обделка турбинного водовода находится под самым большим напором воды. Поэтому конструкции турбинных водоводов выполняют более прочными, чем другие элементы комплекса, с двух- или трехслойной обделкой. Для’их изготовления широко используют железобетон.
В высоконапорных водоводах зачастую ствол шахты или наклонный тоннель используют для размещения в них собственно водоводов в виде нескольких труб из предварительно напряженного железобетона с внутренней стальной оболочкой. Трубы омоноличивают с обделкой шахты заполнением пространства между ними бетоном.
Уравнительные шахты и резервуары. Уравнительная шахта по отношению к водохранилищу выполняет роль сообщающегося сосуда. Она расположена в конце напорного подводящего тоннеля и смягчает действие гидравлических ударов на конструкции водоводов при изменении режима работы турбины. В период установившейся работы ГЭС уровень воды в шахте ниже уровня воды в водохранилище на величину потери напора в подводящем тоннеле. При замедлении или остановке турбин уровень повышается, а при ускорении работы турбин или пуске их после остановки понижается.
При малых напорах эти функции выполняет сама шахта, расположенная над подводящим тоннелем и соединенная с ним. Для увеличения эффективности работы уравнительной шахты она сообщается в верхней части с атмосферой.
При больших напорах объем короткой шахты становится недостаточным, чтобы принять необходимое количество воды. В этом случае часть шахты расширяют в камеру большого объема, являющуюся уравнительным резервуаром. В комплексах высоконапорных ГЭС наибольшее распространение получили уравнительные шахты с двумя камерами (рис. 565). Нижняя камера 1 работает
R- R
Рис. 565. Схема уравнительной шахты с двумя камерами
Рис. 564. Закрепление стальной изоляции в сооружаемой обделке
при самом низком расчетном уровне верхнего бьефа, верхняя камера 3— при наивысшем уровне верхнего бъефа. Камеры соединены шахтой 2.
Верхняя камера сообщается с атмосферой при помощи штольни 4.
Применяют и другие конструктивные решения уравнительных резервуаров. Например, в слабых породах, если имеется вероятность просадки ствола шахты в нижнюю камеру, ей придают форму короткого горизонтального тоннеля, примыкающего к стволу сбоку. При этом значительно упрощаются и становятся безопаснее работы по сооружению камеры. В случае неглубокого заложения подводящего безнапорного тоннеля верхний резервуар может быть устроен на поверхности в виде открытого бассейна.
Машинные здания замыкают напорный комплекс ГЭС. Как правило, их располагают в массиве,сложенном из крепких скальных пород, где горное давление отсутствует. В таком случае конструкцию обделки ограничивают сводом облицовки, выполненным торкретированием или набрызг-бетоном по сетке. Кроме этого, широко используют анкерное крепление, работающее совместно с обделкой.
В породах меньшей крепости и трещиноватых при опасности отслаивания пластов и образования вывалов устраивают обделку из монолитного бетона в виде несущего свода. При необходимости стены машинного помещения выполняют также из монолитного бетона, в слабых породах им придают криволинейное очертание. В особых случаях, при устройстве консольных опор для подкрановых балок, объединенных с нижними частями свода, всю конструкцию выполняют из железобетона.
В качестве дополнительных мер для защиты машинного помещения от подземных вод, как и на станциях метрополитена глубокого заложения, подвешивают специальные конструкции типа зонтов. Материалом для них служат железобетон, армоцемент, листовой алюминий и асбоцементные панели.
Обычно машинные здания размещают в тоннеле (рис. 566) длиной 150— 300 м, что позволяет получить необходимые площади, зависящие от числа уста-
Рис. 566. Схема поперечного сечения машинного здания ГЭС:
/ — опора подкрановой балки; 2 — турбинный агрегат; 3 — отводящий трубопровод
Рис. 567. Схема конструкции машинного здания кольцевого типа:
/ — служебный тоннель; 2 — мостовой кран; 3 — дренаж; 4 — кабельный тоннель; 5 — турбинный агрегат; 6 — турбонасосный агрегат; 7 — целик породы
новленных турбин. Последовательное в один ряд расположение турбин вынуждает значительно развивать сеть подводящих и отводящих водоводов и влечет за собой определенные эксплуатационные неудобства.
Стремление создать компактные подземные помещения вынуждает раскрывать выработки очень больших пролетов, что приводит к осложнениям в строительстве.
Одним из компромиссных решений является кольцевой вариант машинного здания (рис. 567) с опорным целиком породы в середине.
§ 155. ОСОБЕННОСТИ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СТАТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА КОНСТРУКЦИЙ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ ТОННЕЛЕЙ
Статический расчет обделок безнапорных гидротехнических тоннелей мало отличается от расчета конструкций транспортных тоннелей. Отличие заключается в необходимости учета в основных сочетаниях нагрузок на обделку внутреннего давления воды, проходящей в тоннеле. Несущая конструкция должна быть рассчитана на нагрузку от горного давления и внешнее давление на обделку подземных вод.
Допускается снижение гидростатического напора подземных вод устройством дренажа внутрь безнапорного тоннеля.
Обделки напорных тоннелей и турбинных водоводов рассчитывают на внутреннее давление воды по схеме цилиндрических труб в упругой среде на основе решений акад. Б. Г. Галеркина.
Расчетные формулы для многослойных и железобетонных обделок выведены рядом исследователей (В. Л. Федоров, С. К. Шаншиев, А. А. Лосаберидзе). При выводах формул решалась осесимметричная задача теории упругости; материал каждого слоя обделки и горная порода приняты однородными и изотропными.
Существующие точные методы расчета могут быть признаны таковыми до некоторой степени условно, так как в оценке упругих свойств материалов обделки и породы принимают известные допущения.
Ниже приведен упрощенный метод расчета железобетонных и комбинированных обделок, разработанный канд. техн, наук Г. И. Чилингаришвили. Метод заключается в приведении многослойной оболочки к однослойной.
Приведенный модуль упругости материала многослойной обделки определяется формулой
где Et и hi — модуль упругости и толщина <-го слоя n-слойной обделки.
Сумма в знаменателе формулы (284) представляет собой полную толщину обделки h^hi = rn—гв, (285)
где гн и гв — соответственно наружный и внутренний радиусы обделки.
Имея величины Е у h, можно определить приведенное напряжение^ на любом расстоянии г от оси тоннеля, как в однослойной конструкции, по формуле
СТ=Р7±1'’ (286)
где р — внутреннее равномерное давление воды, кгс/см2; гв — наружный радиус обделки, см;
t = -± г в
Рис. 568. График для нахождения вспомогательных коэффициентов
А — фактор упругих характеристик пс С. К- Шаншиеву:
0,01£б — (1 —Цб) #о
Д =-----—12—£:н^----------- ; (287>
0,01Еб + (1 — 2цб) (1 -г Цо) k0
Еб — модуль упругости бетона в бетонной или железобетонной конструкции, кгс/см3;
Цб — коэффициент поперечной деформации для бетона;
k0 — коэффициент удельного упругого отпора по Г. Г. Зурабову и О. Е. Бугаевой, кгс/см3.
Под коэффициентом удельного упругого отпора понимают отпор породы в цилиндрической выработке радиусом га = 1м.
Зависимость между коэффициентом удельного упругого отпора ka и расчетным коэффициентом упругого отпора k (кгс/см3) для выработки радиусом г выражается формулой
кгя krи
° г0 100
По Б. Г. Галеркину, для цилиндрической трубы имеем
(288)
Подставляя выражение (289) в
>
ГН (1 + Но)
где Еп — модуль упругости, кгс/см3;
Цо — коэффициент поперечной породы.
(288), получим
(289)
деформации
, 0,01Еп
«о= . ,
1 +Но
(290)
Переход к расчетным напряжениям иа расстоянии г от оси тоннеля в t-м слое выполняют по формуле
^ = -^7-0. (291)
При выполнении расчетов удобнее сначала находить максимальное приведенное напряжение у внутренней поверхности обделки о.
В расчете используют вспомогательные коэффициенты, определяемые отношениями:
•п =
н о Еб
(292)
а
(293)
где От и а'т — напряжения в железоторкретиом слое соответственно по внутренней и наружной поверхностям.
Коэффициенты т)н и т)с удобно определять по графикам рис. 568 в зависимости от ka h
значений ~qq]£ и Здесь за h при нахождении т|н принимается полная толщина обделки,
а при нахождении т]с — толщина железоторкретного кольца Лт.
Глава 40
ОСОБЕННОСТИ ГОРОДСКИХ И СУДОХОДНЫХ ТОННЕЛЕЙ
§ 156. КОММУНАЛЬНЫЕ ТОННЕЛИ
Коммунальные тоннели (коллекторы) предназначены для размещения в них коммуникаций, обеспечивающих нормальную жизнь большого города. В число этих коммуникаций входят трубы водостока, канализации, водопровода, газопровода, теплосетей, а также кабели электросети и связи. При размещении их в тоннеле в отличие от укладки в отдельные траншеи повышается культура эксплуатации и отпадает необходимость во вскрытии поверхности улиц и тротуаров для ремонта и переустройства различных сетей.
Общая длина сети коммунальных тоннелей крупного города достигает нескольких сотен километров. В связи со стремлением разместить в одном тоннеле возможно больший комплекс коммуникаций площади поперечных сечений современных коллекторов достигают 16 м2. Поэтому доля подземного строительства, приходящаяся на коммунальные тоннели, настолько велика, что появилась необходимость внедрения в эту область наиболее прогрессивных конструкций и способов производства работ, применяемых при постройке метрополитенов, и особенно тоннелей-каналов больших сечений.
В зависимости от глубины заложения тоннеля и условий на поверхности строительство коммунальных тоннелей может выполняться открытым или закрытым способом.
Тоннели, сооружаемые открытым способом, имеют обычно прямоугольную форму поперечного сечения (рис. 569). Как правило, их строят из железобетонных унифицированных элементов заводского tизготовления.
В зависимости от необходимой ширины коллектора L выбирают ближайшие типовые размеры плиты перекрытия 1 и лотка 3. При этом в определенном интервале изменения ширины тоннеля применяют стеновые блоки 2 одного и того же типа, так как они рассчитаны на максимальный пролет. Соединение элементов конструкции выполняют при помощи выпусков арматуры в их торцах с последующим их омоноличиванием.
В узких коллекторах лотковую плиту делают из монолитного железобетона.
При необходимости устройства коллектора большей ширины, чем максимальный однопролетный, применяют двух- и трехпролетные конструкции из аналогичных элементов. Из подобных же элементов с незначительными конструктивными изменениями выполняют камеры колодцев и узлы разветвления коллекторов.
Для коллекторных тоннелей, сечения которых значительно меньше, чем, например, тоннелей метрополитена, весьма перспективны цельносекционные обделки заводского изготовления, у которых стены, лоток и перекрытие образуют единую замкнутую раму. Шагом к созданию таких конструкций является объемная секция, собранная в заводских условиях из вибропрокатных плит 1 (рис. 570). Элементы секции соединены при помощи косынок жесткости 2, приваренных к закладным деталям.
Обделки заводского изготовления отличаются высокой водонепроницаемостью, которая еще более повышается при покрытии наружной поверхности тоннеля изолирующей мастикой. Швы между сборными элементами изолируют заполнением их битумно-минеральной массой, на две трети состоящей из мелкого минерального заполнителя (молотого мела или трепела). Используется также асбестоцементная масса. Кроме того, швы между верхними плитами перекрывают двумя слоями гидроизола.
Тоннели, сооружаемые закрытым способом, имеют, как правило, круговое очертание и сооружаются при помощи проходческих щитов. Диаметры обделок унифицированы в пределах 1,8—4,5 м (в свету).
Рис. 569. Типовая конструкция прямоугольного коллек- Рис. 570. Схема объемной сектора * ции
Наибольшее распространение получили сборные обделки из железобетонных, бетонных и керамических блоков малых размеров, вес которых во многих случаях допускает ручную сборку колец. Многоблочные обделки отличаются большой деформативностью, снижающей точность сборки колец, и наличием большого числа швов, затрудняющих герметизацию конструкции.
Для снижения деформативности обделок из мелких блоков их проектировали из элементов, которые в замкнутом кольце заклинивали друг друга. Для тоннелей диаметром 1,80 и 2,25 м широко используют обделку, блоки которой имеют трапециевидную форму (рис. 571). Кольца этой обделки соединяют стальными нагелями, для которых в кольцевых бортах блоков устроены отверстия. Нагели закладывают из ниш в теле блоков с внутренней стороны тоннеля (на рис. 571 ниши условно заштрихованы).
Более прогрессивными являются обделки из сравнительно крупных железобетонных блоков (простой формы), подобных блокам, применяемым при строительстве тоннелей метрополитенов. Внедрение таких конструкций позволило использовать обжатие обделки в породу, выполняемое вдавливанием клинового блока или другими способами.
Большие перспективы имеет конструкция из монолитно-прессованного бетона, которая, начиная с 1965 г., успешно применяется при постройке коллекторных тоннелей. Материал такой обделки отличается большой плотностью и практически не требует дополнительных мер по обеспечению водонепроницаемости.
Гидроизоляция сборных обделок выполняется из рулонных материалов и поддерживается с внутренней стороны монолитной железобетонной оболочкой. Процесс устройства подобной гидроизоляции весьма трудоемок.
При сооружении коммунальных тоннелей закрытым способом, как правило, используется щитовая проходка. Кроме того, все чаще применяют устройство тоннелей способом продавливания, когда готовые звенья обделки перемещают в продольном направлении из рабочей камеры, в которой расположена силовая установка, состоящая из комплекта гидравлических домкратов. Важ-
ным достоинством способа продавливания является отсутствие осадок поверхности над тоннелем (см. § 100).
План трассы коммунальных тоннелей представляет собой ломаную линию, состоящую из прямолинейных участков. В местах перелома трассы располагают колодцы. Разветвление трассы устраивается также от колодцев. Продольный уклон коммунальных тоннелей принимается не менее 0,002 и в основном зависит от продольного уклона поверхности, под которой проходит тоннель.
Рис. 571. Конструкция обделки из трапециевидных блоков
§ 157. ГОРОДСКИЕ ТРАНСПОРТНЫЕ И ПЕШЕХОДНЫЕ ТОННЕЛИ
Городские транспортные тоннели устраивают на пересечении улиц для пропуска транспорта в различных уровнях. Эти сооружения увеличивают пропускную способность дорог и радикально решают вопросы безопасности движения. Аналогичную роль выполняют пешеходные тоннели под транспортными магистралями, развязывая движение транспорта и пешеходов.
При проектировании таких тоннелей стремятся расположить их на минимальной глубине с целью сокращения длины подходов к тоннелю и бесполезной высоты подъема. Поэтому проезжую часть верхней дороги обычно устраивают непосредственно на перекрытии тоннеля.
Обделки городских транспортных и пешеходных тоннелей преимущественно сборные железобетонные.
Рис. 572. Схема конструкции городского транс- Рис. 573. Схема конструкции пеше-портного тоннеля ходного тоннеля
Городской транспортный тоннель 1 (рис. 572), расположенный под проезжей частью пересекаемой дороги 2, имеет следующие основные части. В самой низкой части тоннельного перехода устраивают камеру водосборника и водоотливной установки 4. Кроме того, имеется камера для размещения электротехнических устройств 5. Обычно в каждом отсеке тоннеля движение транспорта принимается в одном направлении. Отсеки отделены друг от друга рядом колонн 6 и отбойными бортиками 7. В пределах рампового участка устраивают разделительную полосу 8. В пределах рамповых участков 3 проезжая часть дороги имеет максимальный уклон.
Пешеходные тоннели в поперечном сечении имеют прямоугольную одно-или двухпролетную форму. Участок плана и схема поперечного сечения пешеходного тоннеля двухпролетной конструкции приведены на рис. 573.
Тоннели, предназначенные для пропуска пешеходов, можно выполнять из звеньев цельносекционной конструкции. Такое решение получило распространение при постройке переходов под железнодорожными путями.
§ 158. СУДОХОДНЫЕ ТОННЕЛИ
До проведения .железных дорог водный транспорт по рекам являлся основным средством перевозки тяжелых грузов как внутри отдельных стран, так и между ними. Судоходные тоннели, строительство которых началось в Европе с середины XVII в., связывали между собой речные бассейны, разделенные возвышенностями, и позволяли сократить длину водного пути.
В связи с большими габаритами судов такие тоннели (рис. 574) обычно проектируют для движения в одном направлении (рис. 574, а). При необходимости обеспечения одновременного движения в обоих направлениях в длинных тоннелях устраивают местные уширения, в пределах которых происходит пропуск встречных судов. Значительно реже устраивают тоннели, рассчитанные на одновременный безостановочный пропуск судов (рис. 574, б). Ширина
таких тоннелей, построенных во Франции, достигает 16,0 м (Конд), 19,5 м (Ришар-Ленуар) и 22,0 м (Ров).
Движение судов в тоннеле производится при помощи специальной механической тяги, исключающей необходимость в вентиляции, требуемой при самоходном движении судов.
В качестве механической используют бечевую тягу, оборудование которой состоит из троса и тягача, движущегося по боковой дорожке, называемой бечевником. Ее располагают по одной или по обеим сторонам тоннеля. Более современной является туэрная тяга, при которой перемещаемые через тоннель суда проводят при помощи специального буксира — туэрного судна. Последнее движется посредством цепи, проложенной без натяжения по дну судоходного тоннеля и закрепленной за его порталами. Цепь проходит через зубчатый барабан, установленный на судне и вращающийся от специального двигателя, не загрязняющего атмосферу в тоннеле.
Рис. 574. Схема конструкций судоходных тоннелей:
а — для одностороннего движения; б — для двустороннего движения
План трассы судоходного тоннеля, как правило, назначают прямолинейным, так как в этом случае не приходится делать уширение габарита и улучшаются условия ведения судов и вентиляции. Допускаются кривые участки с радиусом закругления R > 5/, где / — максимальная длина проходящих в тоннеле судов. При проектировании продольного профиля стремятся расположить тоннель на горизонтальном участке или использовать уклон, не превышающий 0,0001, чтобы не допустить в тоннеле сильного течения воды, затрудняющего движение судов. Внутренние размеры судоходных тоннелей зависят главным образом от габарита судов. Ширину тоннеля для одностороннего движения определяют по формуле
b = (294)
где Oj — коэффициент, учитывающий просвет между бортами судна и стенами тоннеля (принимается равным —1,2);
Ьс — расчетная ширина судна по мидельшпангоуту (среднему поперечному ребру).
В судоходных тоннелях Франции промежуток между бортами судна и стенами тоннеля принят в пределах от 0,5 до 1,0 м.
При двустороннем движении минимальный просвет между встречными судами принимается равным 0,5 м.
При бечевной тяге к расчетной ширине тоннеля прибавляется ширина бечевника, равная 1,5—2,0 м. Для тоннелей стуэрной тягой в их ширине учитывают банкетки — две боковые дорожки шириной каждая не менее 0,5 м, предназначенные для прохода обслуживающего персонала.
Высота судоходного тоннеля зависит от высоты судна и складывается из надводного габарита судов, величины их осадки и запасов.
Надводная высота тоннеля определяется из выражения
/г = а2/гм, (295)
где а2 — коэффициент величиной не менее 1,1, учитывающий просвет между верхними частями судна и внутренней поверхностью обделки;
/гм — высота подмостового габарита судов.
Глубину воды в судоходных тоннелях принимают равной двойной осадке судов в пределах от 1,6 до 4,0 м. Конструктивные формы судоходных тоннелей, как и других подземных сооружений, находятся в прямой зависимости от геологических условий их заложения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Архангельский М. М., Джинчарадзе Д. И., Ку рисько А.С. Расчет тоннельных обделок. М., Трансжелдориздат, 1960, 408 с.
Афанасьев В. Г., Алексеев П. О., Соколов Е. Н. Геодезия и маркшейдерия при строительстве тоннелей и метрополитенов. М., «Недра», 1965, 295 с.
Багдасаров А. Г., Давыдов С. А., С т р а у с м а н Р. Я- Взрывные работы в гидротехническом строительстве. М., «Энергия», 1969, 263 с.
Барон Л. И., Ключников А. В. Контурное взрывание при проходке выработок. М., «Недра», 1967, 204 с.
Барский А. С. Вентиляция при строительстве гидротехнических туннелей. М., 1972, 42 с. (Информэнерго).
Богородецкий А. А. Подводные тоннели. Л., 1967, 90 с. (ЛИИЖТ.)
Беляев В. Ф., Пястолов А. В. Механические и физико-химические способы укрепления горных пород. М., «Недра», 1967, 115 с.
Водопонижение в строительстве. Под общей редакцией И. К- Станченко. М., Строй-издат, 1971, 183 с.
Волков В. П., Наумов С. Н., Пирожкова А. Н. Тоннели и метрополитены. М., «Транспорт», 1964, 626 с.
Волков В. П. Тоннели. М., «Транспорт», 1970, 406 с.
Волков В. П., Наумов С. Н. Тоннель, сооружаемый щитовым способом. М„ 1972, 136 с. (МИИТ).
Геодезия в тоннелестроении. Ч. 1 и 2. Под общ. ред. А. Н. Баранова. М., Геодез-издат, 1953, 503 и 491 с.
Гликин И. В. Организация и экономика строительства тоннелей. М., Трансжелдориздат, 1962, 184 с.
Горнопроходческие машины и оборудование. Ч. 11. М., 1970, 190 с. (НИИинформ-тяжмаш).
Гринев А. А., Дорман И. Я-> А ф е н д и к о в Л. С. Исследование вопросов технологии возведения и статической работы тоннельных обделок из монолитнопрессованного бетона. М., «Транспорт», 1971, 145 с. (Труды Всесоюз. науч.-исслед. ин-та транспортного строительства, вып. 45.)
Гришаев В. И. Вентиляция тоннелей на железных дорогах. М., Трансжелдориздат, 1961, 121 с.
Гришаев В. И. Железнодорожные тоннели. М., Трансжелдориздат, 1963, 380 с.
Давыдов С. С. Расчет и проектирование подземных конструкций. М., Строй-издат, 1950, 376 с.
Даушвили А. П. Расчет тоннельных обделок в матричной форме. М., «Транспорт», 1972, 119 с.
Докучаев М. М., Васильев Г. А., Дороничева Л. А. Справочник по буро-взрывным работам на строительстве. М., «Недра», 1962, 392 с.
Дорман Я. А. Искусствеииое замораживание грунтов при строительстве метрополитенов. М., «Транспорт», 1971, 271 с.
Зурабов Г. Г., Бугаева О. Е. Гидротехнические туннели гидроэлектрических станций. М., Госэнергоиздат, 1962, 719 с.
Иванаев М. И. Бурение шпуров при проходке подземных выработок. М., 1971, 81 с. (Оргтрансстрой).
Компанией С. А., Поправко А. К-, Богородецкий А. А. Проектирование тоннелей. М., «Транспорт», 1973, 317 с.
Краткий справочник горного инженера. Под ред. А. А. Бойко. М., «Недра», 1971, 519 с.
Лиманов Ю. А. Метрополитены. М., «Транспорт», 1970, 356 с.
Маковский В. Л., М е ж н е в И. И., Демешко Е. А. Исследование некоторых вопросов герметической щитовой проходки тоннелей в неустойчивой водоносной среде под большим гидростатическим давлением. М., 1958, 64 с. (Всесоюз. науч.-исслед. ин-т транспортного строительства, сообщение № 134.)
Малевич Н. А. Горнопроходческие машины и комплексы. М., «Недра», 1971, 384 с.
Маршак С. А., Самойлов В. П. Строительство подземных сооружений с помощью проходческих щитов. М., «Недра», 1967, 207 с.
«Метрострой». Информационный научно-технический сборник. 1956—1975 гг.
Моделирование проявлений горного давления. Л., «Недра», 1968, 277 с. (Авт. Г. Н. Кузнецов).
Мостков В. М. Строительство подземных сооружений большого сечения. М., Госгортехиздат, 1963, 308 с.
Мостков В. М., Воллер И. Л. Применение иабрызг-бетона при проведении горных выработок. М., «Недра», 1968, 127 с.
Наумов С. Н. Приближенный метод расчета монолитных тоннелЬкпх обделок подковообразного очертания. М., 1962, 67 с. (МИИТ).
Наумов С. Н. Проектирование тоннелей, сооружаемых горным способом. М., 1969, 136 с. (МИИТ).
Олейник А. М., Поминов И. Н. Эскалаторы. М., «Машиностроение», 1973, 253 с.
Орлов С. А. Методы статического расчета сборных железобетонных обделок тоннелей. М., Госстройиздат, 1961, 135 с.
Орлов С. А. Предварительно напряженная сборная обделка тоннелей. М., 1959, с. 98—177. (Труды Всесоюз. иауч.-исслед. ии-та транспортного строительства, вып. 31.)
Покровский Н. М. Проходка вертикальных стволов шахт обычным способом. М., Углетехиздат, 1952, 324 с.
Покровский Н. М. Проектирование комплексных выработок подземных сооружений. М., «Недра», 1970, 320 с.
Поляков А. X. Проектирование вентиляции тоннелей. М., Стройиздат, 1971,
Р и п п М. Г., Петухов А. И., Мирошник А. М. Рудничные вентиляционные и водоотливные установки. М., «Недра», 1968, 294 с.
Р о д ь к и и И. С. Проветривание горных выработок при строительстве шахт. М„ «Недра», 1970, 223 с.
Руппенейт К- В. Некоторые вопросы механики горных пород. М., Углетехиздат, 1954, 383 с.
Р у п п е и е й т К- В., Шейнин В. И. Некоторые статистические задачи расчета подземных сооружений. М., «Недра», 1969, 153 с.
Рыбин Н. И., Максимов П. С., Ш л я п и и К- Б. Рекомендации по совершенствованию буро-взрывных работ в тоннелестроении. М., 1963, 44 с. (Всесоюз. научи.-исслед. ии-т транспортного строительства.)
Сборный железобетон в подземном строительстве. Киев, Госстройиздат УССР, 1961, 248 с. (Авт. В. И. Безпалый, И. Я- Бялер, Н. Г. Карсиицкий. Л. Д. Сапрыкин).
Семе вс к и й В. Н. и др. Штанговая крепь. М., «Недра», 1965, 328 с.
Расчет сооружений с применением вычислительных машин. Под общ. ред. А. Ф. Смирнова. М., «Транспорт», 1964, 377 с. (Авт. А. Ф. Смирнов, А. В. Александров, Н. Н. Шапошников, Б. Я. Лащенников).
•Справочник строителя транспортных тоннелей. Под общ. ред. П. А. Часовитина. М., «Транспорт», 1965, 762 с.
Таранов П. И. Буро-взрывные работы. М., «Недра», 1967, 370 с.
Технологическое оборудование для сооружения гидротехнических туннелей. М., 1970, 62 с. (Оргэнергострой).
Технология и комплексная механизация строительства подземных сооружений п шахт. Под ред. Б. В. Бокия. М., «Недра», 1971, 335 с.
Тоннельные машины и тоннельный транспорт. М., «Недра», 1966, 317 с. (Авт.
С. Н. Киселев, П. А. Часовитин, Н. Е. Черкасов, С. Г. Вовиков).
«Транспортное строительство». Научно-технический и производственный журнал Минтрансстроя. 1960—1975 гг.
1 Трупак Н. Г. Проведение горных выработок специальными способами. М., Углетехиздат, 1958, 320 с.
Т р у п а к Н. Г. Замораживание грунтов в строительстве (примеры применения). М„ Стройиздат, 1970, 224 с.
Федоров Г. В., МизюковС. М., Сергеев Д. В. Подвижной состав метрополитена. М., «Транспорт», 1968, 250 с.
Храпов В. Г., Шапошников Н. Н. Конструкция станции метрополитена. М., 1970, 56 с. (МИИТ).
Храпов В. Г. Методическое пособие по составлению сетевых графиков производства тоннельных работ. М., 1969, 24 с. (МИИТ).
Додиков В. Я. Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов. М., «Недра», 1968, 408 с.
Шапошников Н. Н. Расчет тоииельных обделок методом перемещений с Использованием ЭЦВМ. М., 1969, 58 с. (МИИТ).
Штокман И. Г., Мухопад Н. Д. Транспорт при строительстве подземных сооружений и шахт. М., «Недра», 1970, 320 с.
Эстеров Я- X., Б р о д о в Е. Ю., Иванаев М. И. Буро-взрывиые работы на транспортном строительстве. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Транспорт», 1974, 399 с. 540
Нормативные м атери^алы
Временные технические указания по строительству способом продавливания. М., Госстройиздат, 1958, 180 с.
Временные технические указания по применению щитов с горизонтальными полками при строительстве тоннелей в сыпучих грунтах. М.. Стройиздат, 1966, 32 с.
Временные указания по буро-взрывным работам методом гладкого взрывания. М., 1964, 25 с. (Оргтрансстрой).
Единые правила безопасности прн взрывных работах. М., «Недра», 1968, 319 с.
Единые районные единичные расценки иа строительные работы (ЕРЕР). Сборник № 39. Тоннели. М., Стройиздат, 1969, с.
Инструкция по силикатизации грунтов. М., Госстройиздат, 1960, 54 с.
Методические указания по проектированию вентиляции при сооружении железнодорожных тоннелей и тоннелей метрополитена. М., 1969, 64 с. (Всесоюз. науч.-исслед. ин-т транспортного строительства.)
Методические указания по определению горного давления на обделки транспортных тоннелей в трещиноватых скальных породах. М., 1973, 15 с. (Всесоюз. науч.-исслед. нн-т транспортного строительства.)
Понижение уровня грунтовых вод легкими иглофильтровыми установками и эжекторными иглофильтрами. Инструкция-пособие. А., Госстройиздат, 1958, 108 с.
Правила безопасности на строительстве метрополитенов и тоннелей. М., 266 с. (Оргтрансстрой).
Строительные нормы и правила (СНиП) Ч. II. Нормы проектирования: Строительство в сейсмических районах (П-А. 12-62). Основания зданий и сооружений (П-Б.1-62). Бетонные и железобетонные конструкции (П-В.1-62). Стальные конструкции (П-В.3-62). Метрополитены (П-Д. 3-68). Тоннели железнодорожные и автодорожные (П-Д. 8-62).
Ч. III. Правила организации строительства и приемки работ: Подземные горные выработки предприятий по добыче полезных ископаемых (Ш-Б. 9-62). Метрополитены (Ш-Б.3-68). Тоннели железнодорожные, автодорожные и гидротехнические (Ш-Б.8-68). М., Стройиздат, 1962—1966 гг.
Технические инструкции по производству геодезическо-маркшейдерских работ при строительстве метрополитенов и тоннелей. (ТИ-Т12-56). М., 1956, 209 с. (Главтоннельмет-рострой Минтрансстроя).
Технические указания по гидроизоляции стыков, отверстий для нагнетания и болтовых отверстий в сборной железобетонной обделке тоннелей метрополитенов, сооружаемых закрытым способом. (ВСН-130-66). М., 1966, 23 с. (Оргтрансстрой).
Технические указания на производство работ по нагнетанию растворов за обделку тоннелей (ВСН132-66). М., 1966, 48 с. (Оргтрансстрой).
Технические указания по применению аэрированных растворов для гидроизоляции тоннельных обделок. (ВСН147-68). М., 1969, 40 с. (Оргтрансстрой).
Технические указания по проектированию и производству работ по искусственному понижению уровня грунтовых вод при сооружении тоннелей метрополитенов (ВСН 127-66). М., 1966, 124 с. (Оргтрансстрой).
Технические указания по проектированию и сооружению станций метрополитена пилонного типа со сборной железобетонной обделкой (ВСН111-64). М., 1965, 40 с. (ЦНИИС Минтрансстроя).
Технические указания по сооружению бесшовной бетонной обделки железнодорожных тоннелей (ВСН-48-65). М., 1966, 59 с. (Оргтрансстрой).
Технические указания и инструкции на производство инженерно-геологических изысканий для проектирования и строительства метрополитенов и горных железнодорожных тоннелей. М., Трансжелдориздат, 1955, 69 с. (Главтоннельметрострой Минтрансстроя).
Технические условия на производство работ по искусственному замораживанию грунтов при строительстве метрополитенов и тоннелей (ТУ-Т11-56). М., 1956, 56 с. (Главтоннельметрострой Минтрансстроя).
Технические условия производства работ по гидроизоляции тоннелей. Ч. I и II. (ТУ-Т9-56). М., 1956, 72 и 66 с. (ЦНИИС Минтрансстроя).
Технические условия производства бетонных н железобетонных работ при строительстве тоннелей (ТУ-Т10-56). М., 1956, 215 с. (ЦНИИС Минтрансстроя).
Технические указания по применению анкеров в качестве временной крепи выработок транспортных тоннелей (ВСН 125-65). М., 1966, 54 с. (Оргтрансстрой).
Указания по применению габаритов приближения строений ГОСТ 9238—73. М., «Транспорт», 1973, 182 с.
Указания по проектированию гидротехнических туннелей (СН238-63). М., Госстрой нздат, 1963, 32 с.
Указания по проектированию городских транспортных и пешеходных тоннелей (СН296-64). М., Стройиздат, 1965, 32 с.
Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий (СН245-71). М., Стройиздат, 62 с.
АЛФАВИТНО-ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Аванбек (выдвижной козырек) 302
Автоклавная обработка элементов обделкн 270
Агрегат буровой самоходный БА-1 155
Агрегат-щит расчлененный 323 Аммониты ИО, HI Анкеры: дисковый 368 железобетонный (нагнетаемый) 189, 192 клиповой 189 набивной 189, 190 «Перфо» 189, 190, 193 распорный 190
Л
Базис 22, 23 Бантииы 127 Барометрический напор 52 Безмоментная ось свода 67 Безнапорный гидротехнический тоннель 527 Безрельсовый транспорт 171
Бесщитовая (эректориая) проходка 362
Бетонирование обделкн 176 Бетоионагнетатель 208 Бетононасос 208 Бетонная смесь 203 Бнтумнэацня горячая 82 — холодная 82 Блок «восьмерка» 268 — лотковый 251 — клиновидный 268 — ребристого сечеиня 262 — укороченный 269 — фигурный сплошного сечения 262 Блокоукладчик для беещнтовой проходки 329 — кассетного типа 330 — с поддерживающими балками 329 Бремсберг 129 Бризантность ВВ 140
В
Вагонетки: бетоновоэки 168 глухие 166 опрокидные 166 саморазгружающиеся 166
Вакуумирование 256
Вентиляторов подбор 225
Вентиляционные установки: осевые 61 реверсивные 58 центробежные 61
Вентиляционный киоск 477 Вентиляция: естественная 15 искусственная 55 линий метрополитенов 473 подземных выработок 222 поперечная 59 полупоперечная 60 струйная 60
Верхнее строение пути метрополитенов 386 Верхияк 123, 125 Вестибюли метрополитенов: наземные 458 подземные 457 промежуточные 459
Взрывные машинки 145
Взрывчатые вещества 140: непрсдохраинтельные 142 пластичные 144 предохранительные 141
Вибрирование 256
Внброштамлование 256
Влияние поршневого эффекта 55
Возведение тоннельных обделок 203
Воздухосборник (ресивер) 135
Водоводы турбинные 528
Водозабор тоннельного типа 527 Водозащитный зонт 436 Водоотвод прн проходке выработок 229 Водоотводные лотки 80 ----утепленные 82 — устройства 82 Водоотлив 15: — при проходке выработок 229 — линий и станций метрополитенов 482 Водонепроницаемость бетона 256 — обделок нз сборного железобетона 269 Водосборник 229 Водоснабжение линий метрополитенов 482 Водостойкость ВВ 140
Вредные газы 50
Время обмена вагонеток 165
— проветривания 51
— раскружаливання 205
— цикла 235
Врубовая воронка 136
Врубы:
боковой 136, 137
вертикальный 136
верхний 136
горизонтальный 136, 137
из сходящихся шпуров 136, 137 клнновой 138—138 нижний 136, 137
пирамидальный 136—138
плужный 138, 153
призматический 137
прямой 137, 138
спиральный 137
усиленный клиповой 139
центральный 136, 137
щелевой 137
Вулканизирующая паста 270
Вылетные линии метрополитена 378
Выщелачивание пород 33
г
Габариты тоннелей 63, 384
Газоочнстители-иейтралнзаторы 171
Геоизотерма 35
Геометрическая ступень 35
Герметизация тоннелей 78
Гидроизоляция тоннелей:
гибкая оклеечиая 79, 219
жесткая 79
из стальных листов 221
компаундами из эпоксидных смол 221
термопластичная 221
Гидравлическое оборудование щнтов 305
Гидроприводной укладчик рычажного типа 326
Гидростатическое давление 88, 274
«Гладкое» взрывание 140
Глинизация 82
Глубина заходкн 135
— шпуров 143
Глубокий ввод 378
График производства работ 237
------в наклонных линиях 240
------комбинированный 240
Д
Детонпт 141
Дниамнты 140, 144
Дннафталнт 140
Диски фрезерные с режущими пластинами 311
Дисковые скалыватели 314
Добавки пластифицирующие 208
— ускорители 212
Домкраты гидравлические щитовые 295
---забойные 306
— — платформенные 306
Допустимое время раскружаливання 205
Дренаж шпуровой 81
Дуга проходческая 183
Дуговые укладчики 330
Дутье 44
3
Забой выработки 8
Забойннк 144
Завеса противофнльтрациоиная 80, 81
Замедляющий состав 143
Замыкание свода 176
Затвор секторный 339
Затяжки 125
Защитный лист 201
Зонт водозащитный 438
И
Измерительный тюбннг 47
«Изюм» (крупный заполнитель) 204
Инициирующее вещество 143
Интервал замедления взрывов 145
Инфракрасный нагрев 221
К
Калотта 8, 173
Камера съездов 393
Камеры щитовые монтажные 333, 523
Канализация линяй метрополитена 482 Капсюль-детонатор 145 Коронка буровая 153 Коэффициент аэродинамический 226 — бокового давления пород 37 — заполнения вагонетки 161 ---ковша погрузочной машины 161 ---шпура зарядом 142 — избытка воздуха в горючей смесн 51 — износа пневматических инструментов 135 — использования погрузочной машины 161 ---шпура 136, 145 — крепости горных пород по М. М. Протодьяконо-
ву 40, 71, 133, 141
— надежности заделки анкера 191
— одновременности работы пневматических устройств 135
— относительного расхода ВВ 141
— плотности заряжания 141
— поперечной деформации пород 37, 90
— полного сопротивления тоннеля как воздуховода 54
— потерь воздуха в сети 135
— — или подсоса воздуха через стыки труб 226
— разрыхления породы, 133, 161
— смягчения уклона 16
— сцепления колес автомобиля с полотном дороги 17
------с рельсами 16, 169
— тары 167
— увеличения расхода воздуха в связи с его разрежением на высоте 135
— упругого отпора породы 91
— условий работы обделки 117
— учитывающий влияние диаметра заряда ВВ 141 — глубины шпура 141 — — трещиноватость и характер напластования пород 141
Кран передвижной для монтажа внутрнтоннель-ных конструкций 520
Крепь:
анкерная 137, 188, 192
арочная стальная 186
временная контурная 186
— деревянная 103, 127, 183
забивная 126
инвентарная 127, 132, 183
— стальная 127, 132, 183
Кровля выработки 8
Классификация пород по крепости 40
------разрабатываемое™ 133
Клеть шахтная 167
Козырек выдвижной (аванбек) 301
Коллекторы 535
Колодцы-трапы 84
Кольца обделки клиновидные угловые 254
Компенсирующие устройства 220
Комплексная механизация подземных работ 235
---тоннельно-щитовых работ 356
Компрессорные станции 134
— установки 134
Компрессоры стационарные 134
Конструктивные формы станций митрополнтенов:
двухпролетные 401
двухсводчатые 402
мпоголролетные 401 многосводчатые 402 однопролетные 400 односводчатые 402 трехпролетные 401 трехсводчатые 402
Конструкции опускных секций 366
— порталов 85
Контактйый (третий) рельс 486
Концентрация вредных газов предельно-допустимая 50
Кран КМЫ000 331
Крепление врезки 121, 125
Кривая давления 67
Кружала деревянные 175
— стальные 176
Кучность взорванной породы 137
Л
«Лестничное» приспособление 138, 153
Линия наименьшего сопротивления (ЛНС) 136
Лист защитный 301
Лист-экран стальной 271
Лонгарнны 127
Лотковый блок 251
Лоток плоский 252
М
«Мальчики» (коротыши) 176
Манипуляторы 153
Марчеваны 126, 131
Матричный способ формования элементов обделок 256
Машинки взрывные 145
Машины:
бурильные БУ-1, БГА-1 155
погрузочная с верхним захватом породы 163 погрузочные непрерывного действия 156, 158 ------с нагребающими устройствами 158 породопогрузочные 157, 158 — периодического действия 157, 158
Метод гидравлической пригрузки 322 — штампов 92
— эквивалентных материалов 48
Мессдоза ЦНИИСа Мннтрансстроя 46
Механизация комплексная подземных работ 235
Моделирование горного давления 48
Молоток отбойный 134
Монтаж блоков 343 — тюбингов 342 Морозостойкость пород 32
Н
Набрызг-бетон (<шпрнц-бетон>) 70, 212
Нагнетание за обделку 80, 216, 345, 347
— контрольное 216, 346
— первичное 216, 346
Нагрев инфракрасный 221
Надкружальные стойки-коротыши («мальчики») 176
«Наездники» 183—185
Накладная размнновка 166
Наклонный эскалаторный тоннель 462
Напор ветровой 52
— суммарный естественной тяги 53
— тепловой 53
Наращивание рельсов у забоя 163
Натяжение анкеров 192
Натяжная камера 462
Неполный дверной оклад 125
Ножевое кольцо щита 295, 299
О
Обделка нз набрызг-бетона 392
— унифицированная для перегонных тоннелей 263
— шарнирно-изменяемая 262
Обделки подводных тоннелей 255
— предварительно обжимаемые 267
— сборные железобетонные 255
— без связей растяжения 257
---нз монолитного бетона 9
-------стальных тюбингов 254
-------трапециевидных блоков 536
-------усиленных тюбингов 260
-------чугунных тюбингов 250
---кругового очертания 250
---без связей растяжения в стыках 286
---с временными связями растяжения в стыках 258, 277
-------постоянными связями растяжения в стыках 261
—------плоским лотком 260
Обжатие обделки породой 266
---при помощи стальных обручей, домкратов н муфт 265
Оболочка щита 9, 300
Оборка забоя 135
— контура выработки 135
Обработка автоклавная элементов обделки 27')
Объем проветривания 51
Оголовки 84
Оклад дверной неполный 125
---полный 126
Опережающая калотта 122
— направляющая штольня 122
— скважина 137
Опалубка;
передвижная 205
переставная 344
скользящая гибкая 344
— жесткая 344
телескопическая 205
Определение горного давления от веса полного столба породы 87
—------при свободообразованнн 87
— объема проветривания 224
— основных размеров щита 296
Опорное кольцо щита 295, 299
Опрокидыватель вагонеток круговой 167
--- лобовой 167
Опускание щнта 334
Организация тоннельных работ 232
Ориентировка подземных выработок 23
Осадка поверхности 39
Освещение подземных выработок 231
Основные расчетные схемы монолитных тоннельных обделок:
де^ЭТ*” эамкнутого очертания в упругой сре-
в виде свода в упругой среде 95
~йу~94 опирающегося на вертикальную сте-
~------------- — породу 94
Осушение горного массива SO
Отбойный молоток 134
Отопление метрополитена 482
Откатка 163
— канатная 170
— электровозная 163, 168
Очередность нагнетания 218
П
Пассажирские платформы станций метрополитенов 435
Паста вулканизирующая 270
Патрон-боевик 144
Поверхность обнажения 136
Перебор породы 132
Перевязка продольных стыков обделки 253
Перегонные сооружения метрополитенов 388
Перегородки щитовые 295, ЗиО:
----вертикальные 300
----горизонтальные 300
Перегружатели 162
Перекрестный съезд 165
Перестановщик вагонеток 153, 165
Перфоратор 153
Пилоны 418
Пиротехнический состав 144
Пласт-бетон 70
Платформы выдвижные 301
Плотность ВВ 141
Площадки опорные 175
Пневматическая поддержка 153
Ппевмобетононагнетатель 209
Пкевмозабойннк 144
Подбор вентиляторов 225
Подводные тоннели 244
Подземные воды 33
— газы 34
Подошва выработки 8
Подстанции совмещенные тягово-поннзнтельиые
(СТП) 488
Подхваты (унтерцуги) 127
Полигонометрия 21—25
Полукамеры щитовые 322
Полнмербетонная смесь 271
Полный дверной оклад 126
Полуглухая форма для изготовления блоков 257
Порталы 9, 15, 19, 84
Поршневой эффект подвижного состава 53, 54
Потерн давления в воздухопроводе 135
Предельно-допустимая концентрация вредных газов 50
Прессованный бетон 70, 343
Применение монолитно-прессованного бетона 343
Примыкание эскалаторного тоннеля 405
Принцип крупного скола 313
Проверка прочности сечений обделки 116
Проветривание глухих подземных выработок:
вытяжное 223
приточное 223
приточно-вытяжное 223
— тоннелей естественное 152
Провозная способность метрополитенов 379
Прогоны продольные верхние (лоигарнны) 127
---нижние (баитнны) 127
Прогноз горного давления 35
Прочность пород кубнковая 40
Предварительно обжимаемые тоннельные обделки 264
Производительность насоса 233
— погрузочной машины 161
Пропускная способность метрополитена 379
Профиль тоннеля 14, 15, 17
Проходка немеханнэированным щитом в породах:
крепких 335
мягких 337
неустойчивых 338
смешанных 340
— под сжатым воздухом 339
— бесщитовая (эректорная) 363
Проходческая дуга 183
Путь рельсовый в подземных выработках 162
Р
Работоспособность ВВ 140
Разбивка подземных выработок 26
Раэмнновка накладная 166
Размягчаемость пород 32
Разработка породы прн проходке тоннелей 133
---ручным механизированным инструментом 133
Рампа 247
Рандбалка 199
Раскоска 124
Раскрытие выработки по частям 19 — калотт 130
Расположение шпуров в забое 138
Распорное устройство рычажного типа 268 Рассечка штольин 121, 128
Раструбы 396
Расчет тоииельиых обделок 86:
из жестких блоков 290
монолитных по предельным состояниям 118 многошариирной в упругой среде 288
— как свободно деформирующегося кольца 277 кольца на лннейно-деформируемом основании 281
в упругой среде 277 подковообразной с заменой упругой среды упругими опорами 106 --------в обычной форме 107 --------матричной форме 112
свода, опирающегося на вертикальные стены 101, 102
породу 101
— с упругой заделкой пят 97
Расчетное время проветривания 51
Расчетные сопротивления бетона 117 Расчлененный агрегат-щит 323 Расширение выработки 121 Рациональная ось свода 67 Реверсивность вентиляторов 228 Реверсивная вентиляционная установка 58 Режим работы механизированного щита 319 Ресивер 135 Роликовая стрелка 165 Рошпаны 125, 127
С
Саккардо система 57
Светостабилизаторы 347
Свод давления 41
Секторный затвор 339
Силикатизация 82
Скорость детонации 143
— бурения 155
Скоростная проходка 235
Слоистость пород 32
Смесь бетонная 203
— полнмербетонная 271
Сооружение проемов станций пилонного типа о43 Сооружение тоннелей горным способом: способ нижнего и верхнего уступов 173, 198 — опертого свода 173, 178, 185, 240 — опорного ядра 173, 174, 181 — подсводного разреза 173 — полностью раскрытого сечения 173 — сплошного забоя 173, 197 — ступенчатого забоя 173, 197 — центральной штольни 173, 201
Сооружение тоннелей под сжатым воздухом 350 ----способом продавливания 354
Сопротивления местные трубопровода 226
Сопряжение ключевого тюбинга со смежными 259 Сочетания нагрузок: дополнительные 86 особые 86 основные 8S
Способ горный 9, 173
— опускных секций 8, 10, 365
— щитовой 9, 10
— пилот-тоннеля 512
— центробежного моделирования 48
— ядра с податливой оболочкой (повоавстрнй-скнй) 214
Способы моделирования горного давления 48
— ориентировки подземных выработок 24
— трассирования: аналитический 22 геометрический 21 Сравнение вариантов экономическое 20 Средства взрывания п заряжания шпуров 143 Стадии работы тоннельной обделки 275 «Стакан» шпура 136
Станции метрополитенов: двухплатформенные 399 колонного типа 425 многоплатформеииые 400 одноплатформениые 399 пилонного типа 418 трехплатформенные 400 Станционный эректор на фпорах-стойках 327 Стены подплатформенные 435 — путевые 435
Степень точности геодезических работ 27
— трещиноватости пород 32
Стрелка роликовая 165
«Стреляние» 39
Ступень геотермическая 34
Схемы бетонирования обделок 204 — гидроизоляции тоннелей 79 Схемы искусственной вентиляции тоннелей: с вентиляционными шахтами 56
— портальной установкой н закрытием выхода из тоннеля 56
---------открытыми входами в тоннель (система Саккардо) 57
Схемы проветривания глухих подземных выработок 222
Сцепление пород 40
Съезд перекрестный 165, 392
Съезды метрополитенов 392
Т
Тампонажный раствор 80
Тампонирование пород бентонитовыми растворами 347
Твердость пород 32
Тележка инвентарная облегченная 349
Теории горного давления 40
Теория местных деформаций 9!
— М. М. ПротОдьяконова 40
— общих деформаций 90
— свободообраэовання 86
Тепловой напор 15, 53
Термостабилиэаторы 347
Технология изготовления железобетонных обделок 256
Тоннели гидротехнические 3, 5, 527, 529
— городские 21, 537,
— горные 5
— коммунальные 3, 5, 535
— подводные 5. 15, 23, 240
— судоходные 537
Тониель-кессон 248, 373
Тоннельные обделки типовые монолитные: для автодорожных тоннелей 73, 75 — железнодорожных тоннелей 72—74 сборные железобетонные 76
Тоипельно-мостовой переход (тоннель-мост) 248, 365
Тоннельные фермы 131
Торкретирование 80, 218
Транспорт безрельсовый 171
Транспортеры-перегружатели:
ленточный 162» 1^2
портальный 166
скребковый 172
Трассирование тоннелей 21
Трещиноватость пород 32
Тупики 395
Тюбинг измерительный 47
— фигурный 523
Тюбпнгоукладчик шагающего типа 364
У
Угол вруба 139
— падения 30
— простирания 30
Угловые (клиновидные) кольца обделкн 254
Удельный расход ВВ 141
Укладчики:
двурычажный 328
дуговой 330
иа опорах-стойках 328
рычажного типа 326
Упругий отпор породы 89
Усиление стыков между блоками 393
Устройства для подачк и укладки бетонной смеси 208
— компенсирующие 220
— маневровые у забоя 162, 165
Ф
Фермы тоннельные 131
Филаты 125
Фурнель 128
X
Характеристики: бетона тоннельных обделок 117 вентиляторов 228 пород по хМ. М. Протодьяконову 41
Хвостовая часть щита 295
Ходки:
вертикальные 128
для сбрасывания породы 129
материальные 129
наклонные 129 уступчатые 129
Ц
Цементация 82
Цемент пуццолаяовый 204
— шлаковый 204
Цементное молоко 216
Цемент-пушка 218
Цикл буро-взрывных работ 135 — проходческий 157
Цикличность работ 235 Циклограмма 236. 357, 359, 360
Ш
Шаг анкеров 194
Шайбы асбестобнтумные 348
— гидроизоляционные 347
ШаР“иР“ыД соеДИнеиия в продольных стыках обделкн
Шарошки дисковые 310
— зубчатые 310
Шахта уравнительная 531
Шлюзовой аппарат 351
Шлюзовые перегородки 351
«Шприц-бетон» (набрызг-бетон) 212
Шпуровой дренаж 81
Шпуры:
буровые 136
врубовые 139
вспомогательные 136, 139
отбойные 136, 139
контурные 136, 139
холостые 137
Штендеры 127, 130
Штольни дренажные 80
— направляющие 26, 28
— «окна» 29
Штроба 175
Штребели 160
Штросса 8, 173
Штроцетта 175
Щ
Щитовые камеры 332
— полукамеры 332
Щиты:
без внутренних перегородок 319 герметизированные 7, 10, 244, 322 гидромехаиизироваиный герметический с затопляемой приемной камерой и наклонными диафрагмами 323 механизированные 10, 243, 309, 315
— гндропрнводиый 318
— с виброкрепью 321
— с выдвижными полками 321
— с горизонтальными рассекающими полками 3‘JO
— со шлюзовой перегородкой 324
— с рабочим органом в виде мощной стрелы
--------------полого цилиндра 319
------—-------планшайбы (киевский) 318
— планетарного действия (ленинградский) 316
------ (московский) 317
— системы Баде-Хольцмаиа 319
--- Кальвед
— немехаиизнрованные 295
---малых диаметров 301
---сводчатые 303
---средних и больших диаметров 298
---станционные 243. 298
Щитовая проходка 70, 242, 244, 332
Э
Экскаваторы тоннельные 159 ----полноповоротные одноковшовые на гусеничном ходу 150
Электровэрывпая цепь 145
Электровозы:
аккумуляторные 168
аккумуляторно-контактные 169
контактно-кабельные 169
контактные 168
Электродетопаторы 143
Электрозажнгательные патрончики 145
Электрическое взрывание 145
Элементы залегания пласта 30, 31
— обделкн тоннелей 69
Эректор станционный двурычажный с электрогнд-равлическиы приводом 328
— для монтажа железобетонных блоков без болтовых связей 328
— на опорах-стойках 527
— с устройством кольцевого типа 329
Эскалаторы 454
Эскалаторный комплекс 460
Эстаквда передвижная металлическая 214
Эффект взрыва 136, 145
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
От авторов............................................................................ 3
РАЗДЕЛ I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТОННЕЛЯХ
Глава I
Области применения тоннелей и краткий обзор развития тоннелестроения
§ 1. Классификация тоннелей..................................... 5
§ 2. Тоннели как средство преодоления препятствий при трассировании путей сообщения............................................................... 6
§ 3. Основная терминология....................................... 8
§ 4. Краткий обзор развития тоннелестроения................... 10
Глава 2
План и продольный профиль железнодорожных и автодорожных тоннелей
§ 5. Требования к плану и профилю тоннельных участков трассы.........................13
§ 6. Назначение высотного положения и мест порталов тоннелей.........................17
§ 7. Сравнение двухпутного тоннеля с двумя однопутными тоннелями .... 19
Глава 3
Трассирование тоннелей
§ 8. Задачи и виды геодезических работ при строительстве тоннелей.21
§ 9. Способы трассирования........................................21
§ 10. Принципы построения геодезической основы.....................22
§ 11. Ориентировка подземных выработок............................23
§ 12. Подземные полигонометрия и нивелирование.....................25
§ 13. Разбивка подземных выработок....................................................26
§ 14. Точность геодезических работ....................................................27
Глава 4
Инженерно-геологические изыскания при строительстве тоннелей
§ 15. Задачи, состав и методы инженерно-геологических изысканий......................-28
§ 16. Использование результатов инженерно-геологических изысканий при проектировании тоннелей....................................................29
Глава 5
Горное давление
§ 17. Напряженное состояние горных пород вокруг подземной выработки ... 37
§ 18. Теории горного давления........................................................ 40
§ 19. Экспериментальные методы определения горного давления...........................45
Глава 6
Вентиляция тоннелей
§ 20. Основные требования к вентиляции тоннелей.......................................50
§21. Определение объема воздуха, подаваемого для проветривания.......................50
§ 22. Естественное проветривание тоннелей.............................................52
§ 23. Поршневой эффект подвижного состава............................. 53
§ 24. Искусственная вентиляция тоннелей............................... 55
§ 25. Вентиляционные установки........................................ 61
Глава 7
Поперечные сечения транспортных тоннелей
§ 26. Габариты тоннелей............................................... 63
§ 27. Внутреннее очертание тоннельной обделки......................... 65
РАЗДЕЛ II
ТОННЕЛИ, СООРУЖАЕМЫЕ ГОРНЫМ СПОСОБОМ
Глава 8
Конструкции железнодорожных и автодорожных тоннелей
§ 28. Материалы для сооружения тоннельных обделок..................... 69
§ 29. Конструктивные формы монолитных тоннельных обделок.............. 70
§ 30. Сборные железобетонные обделки.................................. 76
§ 31. Защита тоннелей от подземных вод................................ 78
§ 32. Водоотводные устройства......................................... 82
§ 33. Порталы и оголовки............................................. 84
Глава 9
Расчет монолитных тоннельных обделок подковообразного очертания
§ 34. Нагрузки........................................................ 86
§ 35. Упругий отпор породы............................................ 89
§ 36. Основные расчетные схемы монолитных тоннельных обделок.......... 93
§ 37. Расчет свода с упругой заделкой пят............................. 97
§ 38. Определение смещений пятовых сеченнй свода и усилий в сечениях вертикальной стены..........................................................100
§ 39. Расчет подковообразной обделки с заменой упругой среды упругими опорами 106
§ 40. Проверка прочности сечений обделки..............................116
§ 41. Расчет монолитных тоннельных обделок по предельным состояниям ... 118
Глава 10
Проходка отдельных элементов тоннельных выработок
§ 42. Схема сооружения тоннеля........................................121
§ 43. Опережающие выработки.......................................... 122
§ 44. Крепление врезки............................................... 125
§ 45. Проходка и крепление штолен.................................... 125
§ 46. Соединение горизонтальных выработок по высоте.................. 128
§ 47. Раскрытие калотт............................................... 130
Глава 11
Разработка породы при проходке тоннелей
§ 48. Общие сведения..................................................133
§ 49. Разработка породы ручными механизированными инструментами...... 133
§ 50. Компрессорные установки.........................................134
§ 51. Взрывные работы.................................................135
§ 52. Бурение шпуров..................................................148
Глава 12
Погрузка породы и подземный транспорт
§ 53. Погрузка'породы.............................................. • 157
§ 54. Откатка в подземных выработках................................. 163
Глава 13
Сооружение тоннелей горным способом
§ 55. Общие положения.................................................173
§ 56. Сооружение тоннелей в полускальных, мягких и слабых породах .... 174
§ 57. Сооружение тоннелей в скальных породах..........................186
Г л а в а 14
Возведение тоннельных обделок
§ 58. Общие положения................................................. 203
§ 59. Бетонирование обделок в слабых и мягких породах..................204
§ 60. Бетонирование обделок в скальных породах.........................204
§ 61. Нагнетание за обделку............................................216
§ 62. Гидроизоляция тоннельных обделок.................................218
Глава 15
Обеспечение нормальных условий работ при проходке тоннелей
§ 63. Вентиляция подземных выработок...................................222
§ 64. Водоотвод и водоотлив при проходке выработок.....................229
§ 65. Освещение подземных выработок....................................231
Глава 16
Основные принципы организации тоннельных работ
§ 66. Проектирование строительства тоннелей и подготовительные работы . . . 232
§ 67. Цикличность и комплексная механизация подземных работ............235
РАЗДЕЛ III
ТОННЕЛИ, СООРУЖАЕМЫЕ ЩИТОВЫМ И СПЕЦИАЛЬНЫМИ СПОСОБАМИ
Глава 17
Общие сведения о тоннелях, сооружаемых щитовым н специальными способами
§ 68. Основные понятия о щитовом способе сооружения тоннелей...........242
§ 69. Основные понятия о подводных тоннелях и особенностях их проектирования 244
§ 70. Основные понятия о специальных способах сооружения подводных тоннелей 248
§71. Сравнение тоннельных и мостовых переходов........................248
Глава 18
Конструкции сборных обделок кругового очертания
§ 72. Общие положения..................................................250
§ 73. Сборные металлические тоннельные обделки.........................250
§ 74. Сборные железобетонные тоннельные обделки........................255
§ 75. Предварительно обжимаемые сборные обделкн........................264
§ 76. Водонепроницаемость обделок из сборного железобетона.............269
Глава 19
Расчет тоииельных обделок кругового очертания
§ 77. Определение нагрузок.............................................272
§ 78. Стадии работы тоннельной обделкн.................................275
§ 79. Обделки со связями растяжения в стыках...........................277
§ 80. Обделки без связей растяжения в стыках...........................286
Глава 20
Немехаииэированные тоннельные щиты
§81. Общие сведения...................................................295
§ 82. Определение основных размеров шита...............................296
§ 83. Щиты средних и больших диаметров............................... 298’
§ 84. Щиты малых диаметров.............................................301
§ 85. Полущиты и сводчатые щиты........................................303
§ 86. Гидравлическое оборудование щитов .............................. 305
Глава 21
Механизированные щиты и проходческие машины
§ 87. Общие положения............................................................................................................................................309
$ 88. Механизированные щиты и агрегаты для проходки в крепких породах . . 310
§ 89. Механизированные щнты для проходки в мягких породах........................................................................................................315
$ 90. Специальные щиты для проходки в неустойчивых породах.......................................................................................................320
Глава 22
Оборудование для сборки обделок
§ 91. Общие положения............................................................................................................................................325
§ 92. Укладчики рычажного типа..................................................................................................................................326
§ 93. Дуговые укладчики .........................................................................................................................................330
Глава 23
Сооружение тоннелей щитовым способом
§ 94. Подготовительные работы.............................................................................................................332
§ 95. Работы в забое немехаиизированного щита...................................................................335
§ 96. Сооружение тоннельной обделки из тюбингов, блоков и прессованного бетона 342
§ 97. Нагнетание гравия и раствора за обделку.345
§ 98. Гидроизоляционные работы.347
§ 99. Сооружение тоииелей под сжатым воздухом . . ...................................................................350
§ 100. Сооружение тоннелей способом продавливания....................................................................354
§ 101. Комплексная механизация тоннельно-щитовых работ..............................................................356
§ 102. Бесщитовая (эректорная) проходка..........................................................................................363
Глава 24
Специальные способы сооружения . подводных тоннелей . ,
§ 103. Виды тоннельных переходов через водные преграды н их сравнение . . . 365
§ 104. Конструкции опускных секций...............................................................................................................................366
§ 105. Сооружение подводных тоннелей нз опускных секций..........................................................................................................369
§ 106. Опускные тоннели-кессоны..................................................................................................................................373
§ 107. Особенности расчета подводных тоннелей из опускных секций.................................................................................................374
РАЗДЕЛ IV
МЕТРОПОЛИТЕНЫ
Глава 25
Общие сведения о метрополитенах
§ 108. Основные понятия о метрополитенах.........................................................................................................................377
§ 109. Принципы проектирования линий метрополитенов..............................................................................................................378
§ 110. План и профиль линий метрополитенов.......................................................................................................................382
Глава 26
Подвижной состав и путевые устройства метрополитенов
§ 111. Подвижной состав метрополитенов...........................................................................................................................384
§ 112. Габариты приближения строений для тоннелей метрополитенов.................................................................................................384
§ 113. Верхнее строение пути метрополитенов......................................................................................................................386
Глава 27
Перегонные сооружения метрополитенов
§ 114. Перегонные тоннели метрополитенов.........................................................................................................................388
§ 115. Съезды, тупики, раструбы и выходы перегонных тоннелей на поверхность 392
Глава 28
Подземные станции метрополитенов
§ 116. Общие положения...........................................................................................................................................398
§ 117. Классификация станций.....................................................................................................................................399
§ 118. Определение основных размеров станций метрополитенов......................................................................................................403
Глава 29
Конструктивные и планировочные решения станций метрополитенов
§ 119. Конструкции станций с плоскими перекрытиями......................408
§ 120. Односводчатые и двухсводчатые станции............................412
§ 121. Трехсводчатые станции пилонного типа.............................418
§ 122. Трехсводчатые станции колонного типа.............................425
§ 123. Внутренние конструкции станций...................................435
Глава 30
Статический расчет конструкций станций метрополитенов
§ 124. Особенности статической работы ................................. 438
§ 125. Определение нагрузок..........................'..................438
§ 126. Выбор расчетной схемы............................................442
§ 127. Расчетные схемы конструкций, сооружаемых открытым способом . . . 443
§ 128. Расчетные схемы конструкций, сооружаемых закрытым способом .... 447
Глава 31
Связь станций метрополитенов с поверхностью земли
§ 129. Общие положения..................................................454
§ 130. Лестницы и подходные коридоры....................................456
§ 131. Вестибюли..................................................... . 457
§ 132. Эскалаторный комплекс ...........................................460
Глава 32
Пересадки на подземных станциях метрополитенов
§ 133. Схемы пересадок..................................................464
§ 134. Конструкции пересадочных тоннелей и их пересечений со станциями . . 466
Глава 33
Объединенные пересадочные станции подземных линий метрополитенов
§ 135. Станции на мелко заложенных линиях...............................470
§ 136. Станции на глубоко заложенных линиях.............................471
Глава 34
Саиитарно-технические устройства
§ 137. Вентиляция линий метрополитенов..................................473
§ 138. Отопление, водоснабжение, водоотлив и канализация линий метрополитенов 482
Глава 35
Электрооборудование метрополитенов
§ 139. Электроснабжение ................................................485
§ 140. Контактный (третий) рельс........................................486
§ 141. Подстанции.......................................................487
Глава 36
Особенности проектирования наземных и надземных участков линии метрополитенов
§ 142. Наземные участки.................................................491
§ 143. Надземные участки................................................492
Глава 37
Сооружение тоннелей и станций метрополитенов открытым способом
§ 144. Общие сведения...................................................494
§ 145. Котлованный способ..............................................’ 494
§ 146. Траншейный способ................................................498
§ 147. Щитовой способ...................................................500
§ 148. Сооружение станций метрополитенов................................502
Глава 38
Сооружение станций метрополитенов закрытым способом
§ 149. Общие положения..................................................503
§ 150. Сооружение односводчатых станций.................................505
§ 151. Сооружение трехсводчатых станций пилонного типа..................508
§ 152. Сооружение трехсводчатых станций колонного типа..................519
РАЗДЕЛ V ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ, ГОРОДСКИЕ И СУДОХОДНЫЕ ТОННЕЛИ
Глава 39 Гидротехнические тоннели
§ 153. Комплекс подземных сооружений в гидротехническом строительстве . . 525
§ 154. Конструкции подземных сооружений гидротехнического комплекса . . 527
§ 155. Особенности и основные положения статического расчета конструкций гидротехнических тоннелей..................................................533
Глава 40
Особенности городских и судоходных тоннелей
§ 156. Коммунальные тоннели.............................................535
§ 157. Городские транспортные и пешеходные тоннели......................537
§ 158. Судоходные тоннели...............................................537
Список литературы.......................................................539
Алфавитно-предметный указатель .........................................542