Конструкции обделок туннелей
Формы поперечных сечений туннелей. Для отечественных гидротехнических туннелей уже почти 50 лет существует 5 типов форм поперечного сечения (см. рис. 2.1). Форма V - круговая. Область применения всех этих форм регламентирована Г26, пп. 2.5 и 2.61.
Обилие форм гидротехнических туннелей, имеющих различные отношения высоты сечения к ширине h/b и разные размеры, определяемые гидравлическими и энергоэкономическими расчетами, чрезвычайно осложняют производство работ, поскольку оказывается невозможным подобрать типовые механизированные комплексы, опалубки для возведения обделок, буровые агрегаты, типовые паспорта крепления, буровзрывных работ и т.д.
В МИСИ Н.В. Поздеевой и В.М. Мостковым было проведено исследование форм поперечного сечения гидротехнических туннелей. Рассмотрено 100 отечественных и 60 зарубежных эксплуатируемых и проектируемых деривационных туннелей (табл. 2.1).
Из табл. 2.2 следует, что разница в площадях поперечного сечения по пропускной способности для различных форм колеблется в пределах 1-4%.
Статические расчеты по определению зоны нарушенных пород вокруг туннелей различных форм (с учетом выломки), проведенные методом конечных элементов, и полученные на основании этих расчетов объемы и стоимости крепления показали, что в туннелях пролетом Юм для пород с коэффициентом крепости стоимость крепи (при отношении горизонтальных и вертикальных напряжений в горном массиве, равном 0,25) составляет
Выполненные на ЭВМ статические расчеты обделок различных форм с учетом выломки (рис. 2.9) для площадей поперечного сечения от 20 до 150 м2 и коэффициентов крепости породы от 1 до 8 при внутренних напорах воды от 0 до 60 м с учетом разности в потребных площадях поперечных сечений при равной пропускной способности (табл. 2.2) позволили получить объемы выломки, бетона и арматуры. Суммы затрат на проходку туннеля и на материалы даны в табл. 2.3. Затраты на туннели формы И приняты за 100%.
Стоимость туннелей формы III превышает стоимость туннелей других форм. Туннели формы I не имеют преимуществ по сравнению с туннелями формы И. Форма IV оказывается целесообразной для туннелей, сооружаемых в мягких породах и породах средней крепости при площади сечения туннеля до 50 м2. Туннели формы V дороже туннелей других форм, но несомненно предпочтительнее при напорах более 60 м в породах.
Можно рекомендовать для безнапорных гидротехнических туннелей для большинства условий форму II. Форму IV следует рекомендовать только для мягких пород и пород средней крепости (особенно для туннелей, проходимых новоавстрийским способом). Форма V целесообразна для механизированных способов проходки, Для напорных туннелей при больших напорах, для туннелей, проходящих в грунтах, развивающих горное давление, несимметричное относительно вертикальной оси сечения, а также при большом напоре подземных вод. Применение туннелей форм I и III должно быть обосновано в каждом конкретном случае.
Конструкции обделок туннелей. Каждая подземная конструкция проектируется с учетом отпора породы и передачи части нагрузок на горный массив с вовлечением его в работу. Чем большая доля нагрузки передается на него, тем менее материалоемкой оказывается сама конструкция.
К наиболее эффективным конструкциям, максимально использующим несущие свойства горного массива, относятся: обделки из анкеров с набрызг-бетоном; прианкеренные тонкостенные железобетонные обделки; железобетонные обделки, рассчитанные по раскрытию трещин.
Обделки из анкеров с набрызг-бетоном регламентированы. Они значительно дешевле монолитных бетонных или железобетонных обделок. Использование анкернс-набрызг бетонных обделок в строительных туннелях Токтогульской, Курп- сайской, Миатлинской и Худонской ГЭС, в машинных залах Колымской и Жинвальской ГЭС позволило получить экономический эффект, исчисляемый в миллионах рублей (в ценах 1994 г.).
Непременным условием применения конструктивных обделок из набрызг-бетона является обеспечение при проходке выработок правильного контура. Действующими нормами значения абсолютной эквивалентной шероховатости Л для туннелей в скальных грунтах зависят от характеристики поверхности следующим образом:
туннели, высеченные гладким взрыванием в массиве со слабой трещиноватостью 100-140 мм;
туннели, высеченные гладким взрыванием в массиве с выраженной трещиноватостью 130 - 500 мм;
туннели грубовысеченные с очень неровной поверхностью 500 - 1500 мм.
Обычно при проектировании в запас принимают наибольшие значения Д. Это приводит к резкому увеличению площади поперечного сечения туннеля, поскольку покрытие из набрызг-бетона, по мнению проектировщиков, незначительно снижает шероховатость поверхности, а норм для поверхности скальной выработки, покрытой набрызг-бетоном, не существует. Например, при проектировании подводящего туннеля Памирской ГЭС площадь поперечного сечения с обделкой из набрызг-бетона оказалась вдвое больше, чем с бетонной обделкой. Это настолько повысило стоимость туннеля, что было решено отказаться от набрызг-бетонной обделки. Только после окончания проходческих работ в результате обследования поверхности было принято решение о переходе к обделке из набрызг-бетона.
Представляется необходимым наряду с осуществлением мер по обеспечению при проходке буровзрывным способом гладкой поверхности разработать новые нормы по шероховатости поверхности как необлицованных туннелей, так и с покрытием из набрызг-бетона. Как показывает передовой отечественный и зарубежный опыт, увеличение площади поперечного сечения туннеля с обделкой из набрызг-бетона не должно превышать 30% по сравнению с площадью сечения туннеля с бетонной обделкой.
В настоящее время в нашей стране создано несколько экземпляров автоматизированной установки для приготовления и нанесения набрызг-бетона на скальную поверхность. Установка была применена в 1986 г. на строительстве Меградзорского железнодорожного туннеля в Армении. Обделка была возведена быстро и отличалась хорошим качеством. Применение такой обделки в туннеле длиной 830 м позволило сократить объемы скальных и бетонных работ и дало экономический эффект в размере 270 тыс. руб.
Однако конструкция набрызг-бетонных обделок требует дальнейшего совершенствования. Применяемая в настоящее время арматурная сетка не может быть плотно пригнана к породе из-за жесткости сетки и неровностей контура, поэтому толщину набрызг-бетонного покрытия приходится увеличивать до 20 см и более, что значительно снижает эффективность обделки. Более целесообразна рулонная тканая сетка из проволоки диаметром 0,1-0,15 см с ячейками 5-10 см. Такая сетка плотно прилегает к породе и закрепляется к ней анкерами и отрезками вязальной проволоки, заделанной в первом слое набрызг-бетона. Перспективны также обделки из набрызг-бетона, армированного проволочной сеткой (фибронабрызг-бетон).
Во всем мире расширяется применение сталеполимерных анкеров, закрепляемых в шпуре материалом, в состав которого входят быстротвердеющие химические составы. В комплект сталеполимерного анкера входит армирующий стержень, ампулы-патроны с закрепляющим материалом, опорные элементы (шайба, гайка, подхват).
Армирующий стержень изготавливается из арматуры гладкого или периодического профиля и имеет забойную часть, обеспечивающую разрыв оболочек ампул-патронов и смешение компонентов закрепляющего материала, манжету, герметизирующую шпур, и контурную часть для установки армирующего стержня и закрепления на ней опорных элементов. Ампулы-патроны диаметром 3,6 см и длиной 25-30 см изготавливаются из стекла, полиэтилена или алюминиевой фольги и представляют собой двухмерные оболочки, наполненные закрепляющим материалом. Опорные элементы выполняются из стали и предназначены для создания предварительных напряжений в стержне и закрепления на нем различного оборудования. Закрепление армирующего стержня в шпуре осуществляется путем его вращения для разрыва оболочек ампул-патронов и смешивания компонентов закрепляющего материала с помощью перфоратора, пневмоэлектросверла или специального анкер-установ- щика.
Проведенные работы показали, что сталеполимерные анкеры устанавливаются перфоратором за 5,5-6,5 мин, а анкероустановочным модулем АСП-42 за 1,7 мин. Несущая способность сталеполимерного анкера составляет через 15 мин 90 кН, через 1ч- 140 кН, а через сутки - 190 кН.
Применение сталеполимерных анкеров увеличит стоимость крепления по сравнению с практикуемыми у нас железобетонными, однако позволит использовать облегченные обделки из анкеров с набрызг-бетоном в породах ниже средней крепости и обводненных.
Прианкеренные железобетонные, дренирующие обделки используются в туннелях некругового очертания, испытывающих значительное остаточное (после дренирования) давление подземных вод при большой несущей способности массива горной породы. Применение подобных обделок в строительных туннелях Нурекской ГЭС позволило получить экономический эффект более 1 млн. руб. за счет включения в работу породного массива, препятствующего деформации обделки внутрь туннеля под действием внешнего давления воды. Характерные типы прианкеренных обделок показаны на рис. 2.10. Эффективное устройство ддя дренирования воды в виде обратного клапана показано на рис. 2.11.
Обделка имеет, как правило, конструктивно минимальную толщину (0,2-0,4 м) и армирована, но может быть бетонной и снабжена шпуровым дренажом, снижающим давление подземных вод до практически приемлемого значения. Остаточное давление воспринимается обделкой свода, плоских стен и лотка, передающей нагрузки через анкеры на вмещающий массив породы. Железобетонные анкеры со стержнями из арматуры периодического профиля снабжены крюками для заделки в бетон или зацепления с арматурой обделки.
Область применения такой обделки ограничивается следующими условиями:
вмещающие туннель породы должны иметь коэффициент крепости и не оказывать бокового горного давления и давления со стороны подошвы выработки;
сниженное дренажом остаточное давление подземных вод должно составлять не более 0,15 МПа.
При проектировании обделки отдельно рассчитывают бетонные (железобетонные) свод, стены и лоток; прианкеренные бетоннопородные стены и лоток.
Обделки, рассчитанные по раскрытию трещин. В напорных туннелях несущие свойства горного массива в наибольшей степени используются при применении тонкостенных (толщиной 10-15% внутреннего радиуса поперечного сечения туннеля) бетонных или железобетонных обделок, рассчитанных по раскрытию трещин. Такие обделки, регламентированные п. 4.16 СНиП 2.06.09-84, рекомендуются практически для всех напорных туннелей. Трещиностойкие обделки, которые применялись ранее, в настоящее время Допускается возводить лишь в туннелях, сооружаемых в грунтах, подверженных суффозии, выщелачиванию; при гидрокарбонатной Щелочности воды в туннеле менее 0,25 мг-экв/л, а также в случаях, когда фильтрация воды может вызвать снижение долговечности обделки и устойчивости грунтового массива.
Нетрещиностойкие обделки широко применяют в напорных туннелях. Материалоемкость этих обделок минимальна, а утечки воды - в пределах допустимых, определяемых по п. 6.9 и по формулам приложения 3 к СНиП 2.06.09-84. Количество трещин в обдел при этом находится по формулам:
Анализ этих формул показывает, что количество трещин в обделке достаточно велико и составляет 1/100 для бетонных и 1/50 для железобетонных обделок от периметра сечения обделки. Например, в бетонной обделке напорного туннеля радиусом 4 м образуется 25 трещин по периметру сечения, а в железобетонной обделке - 50. Если разделить общее увеличение периметра сечения обделки за счет ее разжатия в породу от действия внутреннего давления воды На полученное количество трещин, то ширина трещин будет в пределах допустимой, т.е. от 0,05 до 0,5 мм (п. 6.9 СНиП 2.06.09-84). это обстоятельство и послужило основой для перехода к нетрещиностойким обделкам, что во многих случаях оказалось нецелесообразным.
Детальное обследование многочисленных напорных туннелей, обобщенное в [27] (см. § 2.5), показало, что в обделках туннелей образуются продольные трещины, которые после снятия напора частично или полностью смыкаются под действием упругих сил массива породы. Значение остаточного раскрытия трещин достигает 3 мм и более. Образование этих трещин вызвано несоответствием работы обделки расчетной схеме. В подавляющем большинстве раскрытие трещин происходит в области технологических швов в сопряжениях свода со стенами и стен с лотком обделкой, в замковом (наиболее слабом) сечении свода (вследствие оставшихся заобделочных пустот, незаполненных бетоном или цементно-песчаным раствором).
Можно полагать, что при возрастании в туннеле напора воды до проектного раскрытие трещин будет увеличиваться без образования новых, так как части обделки, ограниченные трещинами, не будут испытывать растягивающих усилий благодаря подкрепляющему действию массива и противодавлению подземных вод. Очевидно, что при максимальном напоре в туннеле трещины будут иметь раскрытие больше допустимого при числе их, значительно меньшем расчетного. Это приводит к увеличению потерь воды в туннеле.
Для исключения непредусмотренного трещинообразования в открытых гидротехнических сооружениях предусматривают конструктивные (температурные, осадочные, строительные и др.) швы, снабженные в необходимых случаях противофильтрационными уплотнениями. В бетонных и железобетонных обделках напорных гидротехнических туннелей конструктивные швы, как правило, не применяют, а в технологических швах противофильтрационных устройств не предусматривают, несмотря на то что в указанном выше СНиП записано: ”Для обеспечения водонепроницаемости строительных и деформационных швов обделок напорных туннелей необходимо предусматривать в швах установку диафрагм, шпонок или других уплотнений” (п. 4.22). Отступление от СНиП связано со сложностью применения уплотнений при возведении обделок в стесненных условиях.
При возведении высокоэкономичных тонкостенных нетрещиностойких обделок туннелей необходимо соблюдать следующие условия:
обязательное устройство противофильтрационных шпонок в строительных швах;
выполнение проходческих работ с применением контурного взрывания (толщина обделок не должна превышать 25-30 см);
обеспечение высокого качества бетонных работ с использованием для густоармированных конструкций литых бетонных смесей;
проведение надежной заполнительной инъекции, особенно в сводовой части обделки.
Для чисто бетойных обделок, рассчитываемых по раскрытию трещин, необходимо проведение укрепительной цементации для уменьшения коэффициента фильтрации породы и обеспечения ее однородности, а также осуществление конструктивного армирования обделки (процент армирования может быть ниже допустимого, равного 0,5).
Применение сборных и сборно-монолитных обделок туннелей. Преимущество подобных конструкций заключается в замене трудоемких строительных работ в забое на индустриальный монтаж готовых элементов. Сборные обделки, применяемые в мягких породах, позволяют отказаться от временной крепи. Сборные обделки из железобетонных блоков успешно применялись в безнапорных гидротехнических туннелях круглого очертания Арпа-Севан, Дангаринского гидроузла и др. Наиболее целесообразно применение сборных обделок в сочетании с проходкой туннеля механизированным агрегатом, исключающим переборы породы.
Необходимо разработать и внедрить сборную обделку также и Для безнапорных туннелей некругового очертания, проходящих в Дородах ниже средней крепости и мягких. В туннелях, проходящих в вывалоопасных неустойчивых породах, такая обделка позволит Долучить существенную экономию средств и времени.
Для обеспечения работы сборной обделки в туннелях, разрабатываемых буровзрывным способом, необходимо после установки каждого кольца немедленно производить заполнение бетоном или раствором пустот между обделкой и скальным массивом.
Для шахтных водоводов диаметром до 5 м с напорами до 1 МПа (10 кг/см2) может быть применена предложенная и исследованная в НИС Гидропроекта новая конструкция обделки из готовых тонкостенных кольцевых звеньев, выполненных из армоцемента. По сравнению с металлической оболочкой такая конструкция может дать существенный экономический эффект.
В напорных туннелях сборная обделка применяется в сочетании с внутренней монолитной несущей конструкцией. При этом наружное сборное кольцо воспринимает горное давление, а внутренняя железобетонная рубашка - напор воды в туннеле. Сборно-монолитная обделка, осуществленная в напорных туннелях Зеленчукской ГЭС [напор до 0,74 МПа5 коэффициент упругого отпора 700-1800 Н/см3 (70-180 кгс/см3)], состоит из двух колец (рис. 2.13). Наружное железобетонное кольцо собрано из сборных блоков толщиной 15 см и разжато в породу; внутренняя рубашка толщиной 15 см выполнена из монолитного железобетона и рассчитана по раскрытию трещин. Такая обделка оказалась значительно выгоднее однослойной монолитной железобетонной конструкции.
Имеется успешный опыт применения сборно-монолитной обдел ки в стенах гидротехнического туннеля большого сечения. На рис, 2.14 показана схема обделки стен строительных туннелей Рогунской ГЭС сечением 11х11 м, толщина сборных плит 20 см. Эти плиты имеют анкеры (крюки), которые омоноличены бетоном.
Использование сборных и сборно-монолитных обделок в гидротехнических туннелях является прогрессивным решением и должно найти более широкое распространение.
Подземные сооружения гидроэлектростанций. - М.: Энергоатомиздат, 1996.
