Современный опыт строительства туннелей
В современной практике можно выделить три наиболее распространенных способа проходки туннелей различного назначения:
проходка сплошным сечением буровзрывным методом (способ сплошного забоя);
проходка новоавстрийским способом ступенчатым забоем;
проходка с применением механизированных щитов и комбайнов.
Другие способы применяются лишь в особых случаях.
Проходка сплошным сечением буровзрывным методом. В настоящее время в устойчивых породах средние за весь период строительства туннеля темпы проходки туннелей площадью до 90 м2, проходимых сплошным забоем, составляют на один забой 100-200 м/мес (при максимальных темпах 200-400 м/мес). Темпы проходки ряда зарубежных туннелей сплошным забоем приведены в табл. 6.1. Столь высокие темпы достигаются в первую очередь отсутствием простоев, связанных с недопоставками в требуемое время материалов, оборудования, перебоями в подачи энергии, воды и другими организационными причинами, имеющими место в отечественном гидростроительстве.
Проходка ведется высокопроизводительными комплексами, включающими буровые рамы или буровые установки на гусеничном или пневматическом ходу, ковшовые погрузчики на пневмоходу с ковшами вместимостью 2-5 м3, большегрузные вагоны, автомобили-самосвалы грузоподъемностью до 30 т. Для установки временной крепи используются буровые агрегаты, оснащенные специальными механизированными крепеустановщиками. Нанесение набрызг-бетона автоматизировано; постоянную обделку возводят с помощью высокопроизводительных бетононасосов и передвижных секционных опалубок. В последние годы ряд фирм выпускает буж ровые установки с машинами с гидравлическим приводом, ресурс которых по сравнению с обычными машинами значительно больше, производительность в 2-3 раза выше, ниже уровень шума, меньше эксплуатационные затраты.
Некоторые фирмы (Тамрок и др.) выпускают установки, управляемые мини-ЭВМ, на многих установках имеются автоматические программные устройства для перехода от шпура к шпуру, забуривания шпуров, выдерживания их направления и глубины, извлечения штанг из шпура, автоматического включения и выключения бурильной машины и автоподатчика.
Ряд фирм использует унифицированные узлы буровых установок, что позволяет комплектовать агрегаты для различных условий проходки и сечений выработок (модульная система Промек и др.). Такие агрегаты могут пробуривать забои плошадью сечения от 15 до 115 м2 и иметь от 1 до 7 бурильных машин.
При буровзрывных работах широко применяется метод контурного взрывания с предварительным щелеобразованием. Используются качественные электродетонаторы с интервалами замедления 10-15 мс, патроны специального взрывчатого вещества (ВВ) малого диаметра для контурных зарядов. Большое внимание уделяется качеству бурового инструмента. Погрузка взорванной породы производится высокопроизводительными погрузчиками (типа Катерпиллер”, США; Торо”, Финляндия) в вагон или автосамосвалы большой вместимости.
Способ проходки сплошным сечением применяется и при пересечении зон тектонических разломов. В этих условиях производится укрепление пород цементацией или химическими составами (§ 6.2) или применяется один из специальных способов проходки (замораживание пород, водопонижение и др.). В Японии широко внедрен способ сооружения опережающей крепи из труб диаметром 210-270 мм (экран из труб), которые забуривают в грунт по проектному контуру забоя со шнековой отборкой породы, а затем заполняют бетоном. Проходку ведут под прикрытием экрана из труб. В зависимости от устойчивости и обводненности пород трубчатый свод может быть выполнен из одного или двух рядов труб или же одного ряда труб с цементацией грунта из них. Такие опережающие своды сооружают обычно длиной до 30 м, однако имеются примеры и более длинных сводов.
Способ проходки туннеля сплошным сечением имеет недостатки, проявляющиеся главным образом при проходке туннелей большого сечения: громоздкость и дороговизна бурового оборудования, неудобства, возникающие при оборке кровли после взрыва и при установке крепи (арочной, набрызг-бетонной, анкерной).
Проходка новоавстрийским способом. Указанные выше недостатки способа сплошного забоя, а также сложность его применения в Малоустойчивых породах привели к созданию новоавстрийского способа проходки туннелей, который последние 15 лет активно вытесняет способ сплошного забоя даже в устойчивых породах. Темпы проходки ряда зарубежных туннелей новоавстрийским способом приведены в табл. 6.2. Как следует из этой таблицы, среднемесячные скорости проходки составляют 80-220 м/мес; 40 м/мес - в весьма слабых породах. Популярность новоавстрийского способа проходки почти во всех странах мира чрезвычайно высока.
В настоящее время новоавстрийский способ проходки туннелей является наиболее распространенным из горных способов. Столь необычно интенсивное распространение этого способа обуславливается его экономичностью и низкой материалоемкостью подземных конструкций. Скорость сооружения туннелей как в устойчивых, так и в неустойчивых породах весьма высокая (от 3 до 7 м/сут), а стоимость строительства по сравнению с традиционными способами меньше на 30-40% (особенно в слабоустойчивых породах).
Новоавстрийский способ может быть применен как в благоприятных, так и в сложных инженерно-геологических условиях, например, в неустойчивых или подверженных пучению породах при проходке горных туннелей, а также для безосадочной проходки городских туннелей мелкого залегания. Способ может применяться в сочетании со специальными методами проходки туннелей (укрепление горных пород инъекцией, водопонижение, замораживание и др.).
Главной особенностью новоавстрийского способа по сравнению с другими является использование в максимальной степени несущей способности окружающей породы и вовлечение ее в работу в качестве защитной конструкции, предохраняющей выработку от обрушения. Порода, закрепленная соответствующим образом временной крепью из анкеров, набрызг-бетона и податливой арочной крепи, превращается в грузонесущую среду, воспринимающую значительную часть внешних нагрузок. Остальная часть нагрузок передается на крепь, материалоемкость которой снижена по сравнению с крепью, используемой при других методах проходки. Новоавстрийский способ допускает существенные перемещения контура выработки, обеспечивая тем самым разгрузку горного массива от напряжений. Постоянная бетонная или железобетонная обделка возводится в тот момент, когда исчерпана несущая способность временной крепи. Вследствие этого обделка работает на нагрузку, значи тельно меньшую, чем если бы обделка возводилась до того, как произошла основная разгрузка массива.
Обязательное условие способа - выполнение в течение всего времени строительства туннеля измерений деформаций, перемешений, напряжений как в крепи, так и в породе. Это позволяет непрерывно контролировать состояние горного массива и конструкций и при необходимости усиливать крепь.
Основные положения новоавстрийского способа следующие: несущим элементом является главным образом горная порода, перемещения которой вокруг выработки допускаются, но ограничиваются заданными значениями путем применения специальной крепи (набрызг-бетон с сеткой, анкеры, податливая арочная крепь), параметры которой определяются расчетом;
внешняя несущая породно-анкерная оболочка вокруг выработки может быть представлена в виде толстостенной трубы, замыкание которой необходимо обеспечить в течение определенного промежутка времени, определяемого опытным путем. Наиболее благоприятная форма выработки - круглая или подковообразная, так как в углах происходит концентрация напряжений;
стабилизация перемещений закрепленной породы вокруг выработки происходит за счет поэтапного усиления внешней и внутренней несущих оболочек, которая осуществляется путем увеличения длины анкеров и сечения арок, а также повышением процента армирования набрызг-бетонного покрытия и внутренней монолитной бетонной или железобетонной обделки. Все работы по креплению происходят под непрерывным контролем перемещений породы и напряжений в крепи.
Новоавстрийский способ наиболее целесообразен в специфических горно-геологических условиях (глины, песчаные и глинистые сланцы, пластичные мергели, аргиллиты и другие подобные связные грунты). Породы должны обладать свойствами затухающей ползучести, не допускать возможность появления явно выраженных односторонних нагрузок, способных вызвать излом тонкого набрызг- бетонного покрытия и нарушения работы податливой арочной крепи. Обводненность пород должна быть небольшой.
Способ можно применять при строительстве подземных сооружений, деформация контура которых (даже значительная) не может повлиять на условия эксплуатации. При больших перемещениях крепи расширяется область неупругих деформаций горного массива, порода в этой области разрушается и возрастают нагрузки на крепь. Способ требует тщательных и весьма длительных наблюдений в процессе строительства за состоянием породы и осадками, а также за конструкцией крепи и принятия экстренных оперативных мер при нарушении ее целостности.
При новоавстрийском способе проходку ведут сплошным забоем (буровзрывным способом или с использованием комбайнов избирательного действия) или сечение туннеля разбивают на две или более частей. Проходка верхней части сечения (калотты) опережает проходку нижнего уступа на величину от нескольких заходок до 100-150 м. От горизонта на горизонт транспортировка горной породы осуществляется по наклонным (10-13°) пандусам, устраиваемым в уступе. В широких туннелях, проходящих в слабых породах, строительство начинают с боковых штолен, затем разрабатывают калотту, и в последнюю очередь - ядро между боковыми штольнями. Все этапы работ осуществляются одновременно, с отставанием один от другого по длине туннеля. Характерная схема проходки туннеля новоавстрийским способом приведена на рис. 6.1.
В туннелях сечением 50 м2 и более по условиям производства работ более целесообразным является уступный метод проходки с одновременной разработкой калотты и штроссы. При этом задача состоит в сокращении времени, при котором выработка остается разбитой по ступеням, и ускорении возведения обратного свода для возможности включения в работу замкнутой конструкции крепи и обделки. Особенно это имеет значение для слабых, неустойчивых пород. Новоавстрийский способ по сравнению со способом нижнего уступа или штольневыми способами (опертого свода или опорного ядра) имеет неоспоримые преимущества в сокращении растянутого фронта работ, быстрейшей разработки сечения и ускорения готовности обделки по периметру выработки.
Применяемая при новоавстрийском способе уступная проходка туннелей большого сечения по стоимости оборудования и темпам работ оказывается даже в устойчивых породах предпочтительнее проходки сплошным забоем, широко практикуемым в этих условиях. Новоавстрийский способ позволяет для туннелей большого сечения применять легкое мобильное и относительно дешевое по сравнению с применяемым при проходке сплошным забоем оборудование.
Основным элементом крепи являются анкеры. Длина анкеров определяется состоянием породы, площадью поперечного сечения туннеля и сопротивлением анкерных стержней выдергиванию. Обычно длина анкеров составляет 0,4- 0,8 от диаметра туннеля. Для пород, находящихся в плохом состоянии, используют более длинные анкеры (6-9 м). Расстояние между анкерами составляет от 0,75 до 2 м. Как правило, применяют железобетонные или сталеполимерные анкеры.
Наряду с анкерной крепью набрызг-бетон также является необходимым элементом крепления туннелей, сооружаемых новоавстрийским способом. В прочных породах толщина набрызг-бетонного покрытия составляет всего 3-5 см; максимальная толщина в наиболее слабых породах не должна превышать 25 см.
Податливая арочная крепь выполняется из арматурных ферм или спецпрофиля массой от 18 до 36 кг на 1 м. Шаг арок увязывается с длиной заходки, обычно на 1 заходку устанавливают 1-2 арки по длине туннеля. Арочная крепь применяется только в слабых породах.
При необходимости крепь усиливается, как правило, за счет установки дополнительных анкеров повышенной длины.
Одной из отличительных особенностей новоавстрийского способа проходки туннелей является возведение обратного свода после проходки и закрепление участка свода и стен туннеля. Обычно при проходке с уступом длиной 20-30 м смыкание обратного свода производится в течение 30 дней. Момент смыкания обратного свода определяется на основании результатов измерений; может возникнуть необходимость замыкания обратного свода уже через 1-2 смены. Обратный свод изготавливается из бетона или набрызг- бетона, может быть также использован сборный железобетон.
Бетонная постоянная обделка устраивается с отставанием от забоя после стабилизации перемещений, достигаемой с помощью внешней временной крепи (обычно через 1-3 месяца после замыкания обратного свода), что устраняет возникновение значительной последующей нагрузки. Толщина такой обделки меньше толщины обделки, рассчитанной на полную нагрузку, и составляет, как правило, 30 см.
Комбайновый и щитовой способы проходки. Основными преимуществами механизированного способа проходки подземных выработок по сравнению с буровзрывным являются [321:
значительно более высокие скорости проходки, отсутствие переборов породы и соответственно перекладов бетона сверх проектных сечений выработки и обделки, меньший объем заполнительной цементации, сохранение естественной несущей способности окружающих горных пород;
возможность уменьшения толщины обделки за счет использования несущей способности ненарушенной взрывами скальной породы;
большая устойчивость созданных туннелепроходческими машинами выработок, особенно кругового и полуциркульного очертания, и соответственно меньший объем временной крепи;
меньшие трудозатраты и вероятность травматизма и более высокая культура производства.
Зарубежный опыт показывает, что, учитывая дороговизну механизированных туннелепроходческих машин, их применение экономически выгодно при длине туннеля не менее 1600 м.
В скальных породах применяют туннелепроходческие машины (комбайны) двух типов: избирательного и сплошного действия; в мягких породах используют механизированные проходческие щиты.
Комбайны избирательного действия со стреловидным рабочим органом применяют в основном при проходке туннелей в породах прочностью до 40 МПа (400 кгс/см2). Имеются примеры использования комбайнов такого типа и для более крепких пород. Комбайны перемещаются на гусеничном или пневмоколесном ходу, рабочий орган оснащен резцами, шарошками или фрезерующими дисками. Машины универсальны и маневренны, что позволяет применять их при проходке туннелей различных форм и размеров, а также отдельных элементов туннельных выработок. Наиболее часто они применяются при проходке туннелей новоавстрийским способом. Скорости проходки могут быть от 5 до 20 м/сут в зависимости от прочности породы и размеров туннеля.
Созданы комбайны третьего поколения, отличающиеся большим количеством выполняемых операций. Например, фирма Паурат, ФРГ, создала комбайн с продольной режущей головкой, погрузочное устройство которого выполнено в виде двух изогнутых скребковых конвейеров. Мощность двигателя режущей головки 220 кВт, мощность привода 300 кВт, масса основной машины 64 т. Австрийская фирма Вест Альпине создала также комбайн третьего поколения с поперечной режущей головкой. Погрузочное устройство выполнено в виде нагребающих лап. Комбайны избирательного действия предназначены для проходки выработок от 20 до 35 м2. Фирма Эйкгорф, ФРГ, создала комбайны, предназначенные для проходки выработок площадью до 90 м2 по породам прочностью до 100 МПа.
Кроме комбайнов с фрезерующим органом применяют комбайны с цепным буровым органом для создания опережающей щели по контуру выработки. Такая щель глубиной до 3 м и шириной 0,1-0,3 м ослабляет сейсмический эффект взрыва при разработке основной массы породы буровзрывным способом и обеспечивает ровный контур выработки. В неустойчивых породах щель заполняют бетоном с ускорителями схватывания и под защитой такой крепи ведут разработку выработки. Особенно широко такой способ применяют во Франции при строительстве Парижского метрополитена, а также в Японии. В принципе таким способом можно создавать врубовую щель не только по контуру свода, но и по всему периметру туннеля.
Комбайны сплошного действия имеют рабочий орган роторного типа с дисковыми, штыревыми, зубчатыми шарошками или фрезами для разработки на полное сечение туннелей, залегающих в скальных грунтах прочностью 60 МПа и более. Наиболее распространенными являются комбайны фирм Роббинс, Джарва, Калвелд (США), Вирт, Демаг (ФРГ), Атлас Копко (Швеция).
Комбайны сплошного действия выпускают для применения их в породах очень широкого диапазона прочности при проходке туннелей диаметром от 2,5 м (фирма Фулфейсер, Швеция) до 11 м (фирма Роббинс, США). Комбайн представляет собой мощный проходческий комплекс, оснащенный системами по погрузке породы, креплению выработки и ее бетонированию. Оригинальная конструкция комбайнов выпускается фирмой Вирт. Наряду с комбайнами сплошного действия роторного типа эта фирма изготавливает агрегаты для расширения первоначальной передовой выработки, которые могут работать как автономно, так и в системе с двумя-тремя расширителями. У агрегатов-расширителей распорные устройства и ходовое оборудование размещены в первоначально пройденной механизированным способом выработке меньшего диаметра. Расширение выработки с помощью двух или трех машин осуществляется поочередно, что дает возможность существенно снизить потребные нагрузки и мощность машины. Более подробные сведения о комбайнах приведены в [15,32].
Скорости проходки туннелей с применением комбайнов сплошного действия роторного типа чрезвычайно высоки (особенно в США). В табл. 6.3 и 6.4 приведены скорости проходки соответственно европейских туннелей и туннелей США комбайнами роторного типа, достигнутые в последние годы.
К главным недостаткам комбайновой проходки туннелей относится очень большая стоимость агрегатов и режущего инструмента, а таккже сложность проходки тектонических разломов (как это имело место при проходке Северо-Муйского туннеля на БАМе).
Механизированные проходческие щиты. В зарубежном туннелестроении широко применяют щиты с экскаваторными рабочими органами и специальными средствами для крепления забоя. Такие щиты изготовляют фирмы Зокор (США), Баде и Вестфалия Люнен (ФРГ), Хитачи (Япония) и др. Применение их ограничивается слабоустойчивыми мягкими породами, диаметры щитов достигают 9 м. Экскаваторные щиты могут производить разработку и погрузку грунта одновременно с монтажом сборной обделки. Порода грузится на конвейер и далее перегружается в вагоны или автосамосвалы. Есть примеры выдачи породы по конвейерам на поверхность.
В Японии и ФРГ при строительстве туннелей в очень слабых обводненных грунтах широко применяют механизированные щиты с роторным рабочим органом и гидравлической или грунтовой пригрузкой забоя. Эти щиты подразделяются на две группы. К первой группе относят щиты с гидротранспортом грунта, для работы которых требуется в достаточном количестве жидкость (глинистый раствор), необходимая для пригрузки забоя и перекачивания пульпы, циркулирующей по замкнутому контуру. Щиты второй группы имеют шнековый породопогрузочный орган, причем пригрузка забоя производится спрессованным в призабойной камере естественным грунтом, выдавливаемым в сухом состоянии на обычный перегружатель.
В последние годы созданы щиты со шламовой пригрузкой забоя. В таких щитах тиксотропная суспензия подается в призабойную камеру лишь в небольших количествах, чтобы выгружаемый шнеком шлам имел осадку стандартного конуса не более 5-10 см. Эти щиты, совмещая в себе преимущества крепления забоя тиксотропной суспензией и спрессованным грунтом, оказались наиболее универсальными.
На рис. 6.2 даны графики, характеризующие скорости проходки туннелей в грунтах различной устойчивости с применением механизированных щитов [32].
Отечественный опыт строительства подземных гидротехнических сооружений. Наиболее интенсивно подземное гидростроительство ведется последние 25 лет акционерной фирмой Гидроспецстрой.
В практике отечественного подземного строительства широко и успешно используется самоходное и горнопроходческое оборудование и автотранспорт в сочетании с облегченными типами временной крепи, освоены методы проходки выработок большого сечения способом нижнего уступа, с раскрытием большепролетных выработок сразу на полное сечение (4, 14].
На ряде объектов были достигнуты высокие средние темпы. Так, при буровзрывном способе среднемесячные скорости проходки на строительстве Байпазинского автодорожного туннеля (Таджикистан) сечением 70 м2 составили в 1984 г. 57 м/мес (максимальная скорость 73 м/мес), при проходке Воротанского гидротехнического туннеля (Армения) площадью 16 м2 67 м/мес (максимальная 201 м/мес), на строительстве туннеля Арпа-Севан (Армения) площадью 15 - 20 м2 в отдельных забоях среднемесячные скорости проходки составляли 65-70 м/мес, а в отдельные месяцы достигали 140-180 м/мес. В 1987-1988 гг. средние скорости проходки отдельных гидротехнических туннелей Худонской ГЭС (Грузия) составляли 100 м/мес.
На строительстве деривационного напорного туннеля Миатлинской ГЭС (Россия) в предпусковой период при налаженном материально-техническом снабжении и четкой организации работ за май-декабрь 1985 г. было пройдено и забетонировано 1700 м нижнего уступа, при этом разработано около 100 тыс. м3 скалы (в июле 18 тыс. м3) и уложено около 50 тыс. м3 бетона при средней интенсивности (сентябрь-декабрь) 17 тыс. м3/мес и максимальном суточном объеме 1 тыс. м3.
При механизированном способе проходки гидротехнических туннелей скорости выше. Однако этот способ пока не нашел в отечественной практике достаточного применения в первую очередь из-за отсутствия комбайнов и других механизированных агрегатов, приспособленных для строительства туннелей стандартных диаметров и проходки в породах с часто меняющимися по трассе прочностью и устойчивостью. Тем не менее при строительстве деривационного туннеля Зеленчукской ГЭС (Россия) с помощью отечественного механизированного щита КТ-1-5,6 средняя скорость в 1984-1985 гг. составила 82,5 м/мес (максимальная 154 м/мес), а на строительстве Дангаринского гидротехнического туннеля (Таджикистан) отечественным комбайном избирательного действия в 1985 г. средняя скорость составила 97 м/мес (при максимальной скорости 125 м/мес).
К положительным результатам при строительстве подземных гидротехнических сооружений, достигнутым Гидроспецстроем, можно отнести разработанные и широко внедренные впервые в отечественной практике подземных работ прогрессивные технологии ведения работ с использованием самоходного горнопроходческого оборудования и автотранспорта в сочетании с облегченными типами временной крепи. Механизированы все основные процессы проходческого цикла с использованием лучших образцов отечественного горнопроходческого оборудования, а также модернизируемого, вновь создаваемого и частично приобретаемого за рубежом.
Подземные сооружения гидроэлектростанций. - М.: Энергоатомиздат, 1996.
