745

Проведенные исследования показали, что способ проходки с ОБК имеет много общего с новоавстрийским способом строительства тоннелей (НАТМ). В обоих методах используют, как правило, одни и те же элементы для устройства крепи — набрызг-бетон, анкеры или металлические арки. Однако основное сходство заключается в характере работы устраиваемых первичных крепей. Анализ результатов измерений, осуществленных во время проходки с опережающим бетонным креплением калотты тоннелей метрополитена в Париже, показал, что опережающая крепь работает в основном на сжатие благодаря хорошему сцеплению с грунтом и возникновению вследствие этого значительных сил трения по ее наружной поверхности, где концентрируется большая часть усилий. Вследствие этого опережающая крепь работает как оболочка. Таким образом, взаимодействие системы «крепь – грунтовый массив» при ОБК аналогично НАТМ.

Основное различие между двумя способами заключается во времени устройства крепи. При НАТМ оболочку из набрызг-бе-тона возводят с отставанием не менее 1–2 м от плоскости забоя после производства около 40 % всего объема разработки грунта заходки. При ОБК оболочку возводят с опережением забоя на 2–3 м. Именно это отличие обусловливает основное преимущество рассматриваемого способа. Его эффективность повышается, когда кольцо крепи замыкается как можно ближе к забою. Этого позволяет добиваться усовершенствованная технология с ОБК, примененная при строительстве метрополитена в г. Лилле во Франции (рис. 4.30).

Рис. 4.30. Технологическая схема проходки тоннеля полным сечением с опережающей бетонной крепью:

1 — бетонная крепь; 2 — щеленарезная машина; 3 — металлическая арка; 4 — опалубка; 5 — бетонные блоки подошвы; 6 — машина для торкретирования

При строительстве метрополитена в Лилле применили обе технологии проходки: с опережающей калоттой, примененную в Париже, и усовершенствованную — на полное сечение площадью около 40 м2 с пролетом 6,8 м. Сравнение развития осадок поверхности земли во времени показало, что при проходке полным сечением по усовершенствованной схеме обеспечивается снижение осадок в 2–3 раза.

Внастоящее время за рубежом ведутся работы по совершенствованию оборудования для устройства прямолинейных и криволинейных щелей высотой 150–200 мм и глубиной до 3 м. Так, во Франции вместо обычного барового органа врубку предлагается осуществлять при помощи трехцепной пилы, две крайние цепи которой, снабженные резцами из карбида вольфрама, производят нарезку щели с небольшим опережением по сравнению с центральной цепью. Трехцепная пила позволяет присоединить к рукоятке ее держателя предохранительный щит, под прикрытием которого укладывают бетонную смесь и одновременно закрепляют стенки нарезанной щели до бетонирования. Ведутся также исследования, направленные на повышение степени безопасности и улучшение условий производства работ, снижение стоимости и повышение темпов строительства.

Внастоящее время рассматриваемая технология существенно усовершенствована за

счет применения более мобильного и производительного щеленарезного и бетоноукладочного оборудования, увеличения размеров нарезаемой щели и бетонной оболочки, устройства криволинейных в продольном направлении оболочек и др.

Щеленарезные машины последнего поколения включают жесткую раму с направляющей дугой, по которой перемещается каретка с баровым рабочим органом (рис. 4.31).

Мощность гидропривода таких машин изменяется от 120 до 400 кВт, скорость нарезания щели — от 1 до 10 м/мин и более. Контроль за нарезанием щели осуществляется лазерными геодезическими приборами.

Щели глубиной от 1,5 до 5 м и высотой от 0,1 до 0,4 м заполняют высокопрочным набрызг-бетоном или фибронабрызг-бе-тоном по «сухой» или «мокрой» технологии работ методом или подают удобоукладываемую бетонную смесь бетононасосами. Время выстаивания бетона в щели до требуемой прочности (8–10 МПа) изменяется от 4–6 до 10– 15 ч.

Рис. 4.31. Схема щеленарезной машины:

1 — нарезаемая щель; 2 — корпус машины; 3 — направляющая дуга; 4 — каретка с баровым рабочим органом

Впоследние годы с применением ОБК построен ряд транспортных тоннелей. К ним относятся два параллельных тоннеля Пеш Брюнет длиной 218 и 258 м, пройденные в 1997

г.на автомобильной дороге А-20 на юге Франции. Тоннели для трехполосного движения пролетом 14,31 м и высотой 12 м заложены на глубине 7–21 м от поверхности земли в перемежающихся песчаных, глинистых и мергелистых грунтах прочностью от 0,2 до 2,4 МПа.

Для устройства контурной щели длиной 5 м и высотой 0,25 м применили щеленарезную машину массой 165 т и мощностью привода 350 кВт с баровым рабочим органом. Скорость нарезания щели составила 30 м/смену. Щель заполняли набрызг-бе- тоном, создавая взаимно перекрываемые на 1–1,25 м бетонные оболочки.

Проходку тоннелей вели с использованием тоннельного экскаватора Либхерр-954» и автосамосвалов «Вольво А-25». Забой закрепляли набрызг-бетоном и фибергласовыми анкерами диаметром 32 мм и плотностью распределения 0,25 на 1 м. На участках неустойчивых грунтов устанавливали стальные арки и анкеры длиной 5,5 м и диаметром 25 мм. Применение ОБК позволило пройти тоннель с осадками вышележащей грунтовой толщи не более 12 мм.

Вгорах Эль-Пардо (Испания) построены два параллельных автодорожных тоннеля для трехполосного движения (каждый длиной по 300 м). Тоннели заложены на глубине 15–30 м в нарушенных скальных и осадочных мягких грунтах и сооружались по технологии НАТМ с опережающей проходкой боковых штолен, в которых бетонировались стены тоннеля.

При раскрытии калоттного профиля применили ОБК в виде конических оболочек длиной 4,5 м и высотой 0,3 м с перекрытием в 1 м. Щель нарезали агрегатами массой 40 и 75 т и мощностью 225 и 280 кВт и заполняли набрызг-бетоном робот методом по «сухой» технологии. Через 4 ч прочность бетона на сжатие составляла 9 МПа, а через 24 ч — 50

МПа.

Под защитой ОБК раскрывали штроссу, разрушали внутреннюю крепь штольни, бетонировали центральную часть обратного свода и верхний свод. Скорость проходки тоннеля возросла с 1,3 м/сут в первые 4 мес. до 2,7 м/сут в дальнейшем. Мониторинг напряженно-деформированного состояния массива показал, что осадки кровли не превышали допустимых.

При строительстве тоннеля длиной 3,3 км и площадью поперечного сечения 108 м2 в г. Тулоне (Франция) на участке плотно застроенной территории на глубине до 35 м от поверхности в мягких водоносных грунтах во избежание осадок поверхности земли также применили ОБК. Контурную щель конической формы глубиной 4 м и высотой 0,22 м с перекрытием 0,5; 1,0 и 1,5 м прорезали щеленарезной машиной с баровым рабочим органом и заполняли фибробетоном. Через 4 ч прочность бетона достигала 8 МПа. Забой закрепляли фибергласовыми анкерами длиной 18 м.

С применением опережающей щели, заполняемой бетоном, можно возводить станции метрополитена и другие крупнопролетные сооружения неглубокого заложения. При строительстве односводчатой станции метрополитена вначале проходят путевые тоннели, из которых раскрывают калоттную прорезь и возводят свод обделки из монолитного железобетона, временно опирающийся частично на грунт, частично на обделку путевых тоннелей (рис. 4.32).

Рис. 4.32. Общий вид (а) и этапы строительства (б) односводчатой станции с использованием технологии опережающей прорези, заполняемой бетоном:

1 — путевые тоннели; 2 — обделка; 3 — домкратные стойки; 4 — верхняя прорезь; 5 — нижняя прорезь; 6 — грунтовое ядро

Интересен опыт применения новой японской технологии строительства ОБК в виде серии жестких арочных оболочек, образующих непрерывную первичную крепь (рис. 4.33), под защитой которой разрабатывают грунт и возводят вторичную крепь обделки [Метроинвест. 2003. № 2. С. 38–41].

2

Рис. 4.33. Технологическая схема устройства ОБК:

1 — забой тоннеля; 2 — опережающая бетонная крепь; 3 — привод рабочего органа; 4 — тоннельный экскаватор; 5 — автобетоносмеситель;

6 — автобетононасос; 7 — щеленарезная машина

По сравнению с плоской арочная крепь характеризуется более высокой жесткостью и несущей способностью за счет проявления арочного эффекта не только в поперечном, но и в продольном направлении. Таким образом достигается стабилизация забоя тоннельной выработки, предотвращаются осадки грунтового массива и сводятся к минимуму деформации близлежащих зданий и сооружений.

Для создания криволинейных в продольном направлении прорезей в грунтовом массиве сконструирован автоматизированный щеленарезной агрегат PLS с баровым

рабочим органом дугового типа, перемещающимся по направляющей арке, и бетоноукладочное оборудование (рис. 4.34). Радиус кривизны направляющей дуги составляет 6,5 м, глубина нарезаемой щели — 3,8 м, высота — 0,4 м.

Рис. 4.34. Схема щеленарезной машины PLS:

1 — баровый рабочий орган; 2 — оболочка; 3 — направляющая дуга; 4 — вторичная крепь; 5 — привод рабочего органа; 6 — аутригеры; 7 — рельсовые пути; 8 — опалубка

После набора бетоном требуемой прочности устраивают прорезь под обратный свод с последующим его бетонированием, создавая таким образом замкнутую обделку овалоедального очертания. Под ее защитой разрабатывают грунтовое ядро, демонтируют обделки путевых тоннелей и возводят внутристанционные конструкции. Работы можно вести с применением средств механизации, используя для выдачи разрабатываемого грунта и подачи материалов перегонные тоннели.

С использованием принципа щелеобразования в нашей стране разработаны и защищены авторскими свидетельствами конструктивные и технологические решения, которые могут найти применение в практике метро- и тоннелестроения. В частности, предварительное щелеобразование положено в основу новой технологии, обеспечивающей сведение к минимуму осадок земной поверхности и грунтового массива при проходке тоннелей мелкого заложения в зоне подземных коммуникаций. Работы по возведению тоннельных конструкций производят в следующем порядке (рис. 4.35).

Рис. 4.35. Схема проходки тоннеля мелкого заложения с опережающей крепью: 1 — опережающая крепь; 2 — обделка тоннеля; 3 — опережающая щель;

4 — «стена в грунте»; 5 — гидроизоляция

Вначале способом «стена в грунте» возводят боковые стены тоннеля, а затем из забоя выработки устраивают опережающую щель, горизонтальную в поперечном и наклонную в продольном направлениях. Угол наклона щели составляет от 2 до 6,5° для грунтов средней крепости и от 6,5 до 15° для слабых грунтов. Щель толщиной 0,3–0,5 м устраивают между траншейными стенами на глубине не менее 1,5–2 м от земной поверхности, заполняя ее сборными железобетонными плитами или монолитным бетоном. Длину щели назначают в грунтах средней устойчивости не более 30 % длины заходки, а в слабоустойчивых грунтах — до 50 % длины заходки. Под прикрытием образованной крепи разрабатывают грунт на величину до 3,5 м. Далее устраивают гидроизоляцию

лотка, стен и перекрытия из рулонных или пленочных материалов и возводят окончательную обделку из монолитного железобетона. При этом временная крепь входит в состав постоянной несущей конструкции тоннеля. Использование сборных железобетонных плит для заполнения щели позволяет начать разработку грунта на величину заходки сразу же после устройства перекрытия, в то время как заполнение щели монолитным бетоном требует прерывания операций проходческого цикла на время набора бетоном минимально требуемой прочности.

Расположение перекрытия тоннеля на глубине не менее 1,5 м от земной поверхности объясняется наличием в этой зоне подземных коммуникаций и необходимостью исключения ее осадок. Предлагаемый способ не требует вскрытия земной поверхности над строящимся тоннелем, сводит к минимуму нарушения движения транспорта в период строительства и, следовательно, убытки из-за перепробегов транспортных средств при переключении движения на соседние улицы и перекладку коммуникаций. Таким способом предпочтительно сооружать тоннели прямоугольного сечения — оптимального с точки зрения объема разрабатываемого грунта.

4.5. «Плита в грунте»

Дальнейшим развитием рассматриваемой технологии является способ так называемой «плиты в грунте», которую можно применять как на мелком, так и на глубоком заложении. «Плиты в грунте», располагаемые по контуру будущего подземного сооружения в предварительно нарезанных непрерывных щелях, устраивают следующим образом (рис. 4.36).

В первую очередь проходят, как минимум, две опережающие выработки в виде штолен, пилоттоннелей или траншей на всю длину подземного сооружения или определенного его участка. В выработках укладывают направляющие, по которым перемещается щеленарезное оборудование. Для его перемещения могут быть использованы лебедки, установленные на противоположном конце опережающих выработок. Рабочий орган щеленарезной машины может иметь тот же принцип действия, как и дорожных машин типов Б1М-3, АРГ-1, ССАИ-4, АУГ-1 и др.

Вподземных сооружениях глубокого заложения для нарезки щели сначала может быть пройдена дополнительная поперечная выработка, соединяющая между собой продольные выработки, из которой начинает движение щеленарезная машина. Щель нарезают параллельно оси будущего сооружения и одновременно заполняют ее бетонной смесью или сборными железобетонными плитами. После устройства крепи на проектную длину вспомогательные выработки бетонируют.

Вотличие от рассмотренной выше технологии длина нарезаемой щели практически не ограничена, что позволяет создавать сплошную горизонтальную или наклонную «плиту в грунте» без перекрытия соседних участков, что существенно расширяет возможности и область применения способа.

Рис. 4.36. Принципиальная схема возведения «плиты в грунте»: 1 — траншея; 2 — баровый рабочий орган щеленарезной машины;

3 — привод; 4 — бетонная подготовка; 5 — упор; 6 — домкраты; 7 — плиты; 8 — ножевая часть; 9 — забойный котлован

При строительстве тоннелей мелкого заложения новую технологию можно применять также в сочетании со «стенами в грунте», после устройства которых возводят забойный котлован до уровня низа перекрытий тоннеля с упором для домкратов. Вдоль оси тоннеля проходят опережающие вспомогательные траншеи до уровня низа перекрытия шириной 1,5–2 м по осям стен. Поверху стен укладывают направляющие рельсы в уровне низа перекрытия, на которые опирают щеленарезную машину. Нарезку щели начинают из забойного котлована, задавливая щеленарезное оборудование в грунтовый массив домкратной установкой. Разрабатываемый грунт перемещают в траншеи, откуда удаляют в отвал. В пространство между домкратами и щеленарезной машиной устанавливают первую плиту перекрытия, которая может быть объединена с машиной. Кроме того, как и все последующие, она может опираться на направляющие пазами, предусмотренными по торцам. В продольном направлении плиты могут объединяться между собой по схеме «паз

— гребень».

Для предотвращения заклинивания рабочего органа щеленарезной машины необходимо включить ее привод несколько раньше, чем домкратную установку. Желательно, чтобы ширина плит соответствовала ходу штоков домкратов. После задавливания первой плиты в щель штоки домкратов возвращают в исходное положение. Затем устанавливают вторую плиту и повторяют операции до тех пор, пока конструкция не будет возведена по всей длине. Для снижения сил трения между грунтом и плитами в пространство между ними можно подавать антифрикционные составы типа бентонитовой суспензии или предусматривать покрытие плит материалами с низким коэффициентом трения. Использование способа позволяет устраивать подземные сооружения различных форм и размеров поперечного сечения (рис. 4.37), в том числе перегонных тоннелей и станций метрополитена, автодорожных и пешеходных тоннелей мелкого и глубокого заложения в разнообразных инженерно-геологических условиях. При этом в процессе строительства практически исключаются деформации грунтового массива, повышается безопасность ведения работ, появляется возможность создания рациональных и экономичных конструкций подземных сооружений.

С целью внедрения конструкций и технологий строительства тоннелей с использованием предварительного щелеобразования необходимо создать специальное оборудование, приспособленное для работы в различных грунтах.

Рис. 4.37. Конструктивные формы подземных сооружений, возводимых

сприменением «плиты в грунте»:

1 — «стена в грунте»; 2 — траншея; 3 — «плита в грунте»; 4 — лоток; 5 — опережающая выработка; 6 — бетонное основание; 7 — колонна

Впервые в практике отечественного метростроения технология с использованием опережающей крепи реализована при сооружении ст. «Адмиралтейская» в СанктПетербурге. Необходимость поиска новых решений при строительстве этой станции, расположенной в центре города, была вызвана жесткими требованиями к величине осадок земной поверхности в связи с наличием на поверхности зданий, являющихся памятниками истории и культуры. Применение технологии, предложенной специалистами ОАО

«Метрострой» и ЗАО «Метрокон», позволило исключить образование пустот за обделкой. Быстротвердеющий бетон, нагнетаемый в прорезь, заполнял все полости и трещины в грунте и, играя роль горизонтальной «стены в грунте», препятствовал смещениям массива.

Путем изменения прочностных характеристик нагнетаемого бетона, времени его твердения, применения армирования разного вида (сетки, фибры), меняя конструктивные параметры (толщина, глубина заходки и др.), можно управлять жесткостью и прочностью конструкции опережающей крепи в широких пределах. Опережающая крепь не меняет защитные свойства с изменением глубины заложения, а скорость проходки снижается незначительно по сравнению со скоростью сооружения свода, обжимаемого в грунт.

Реализация данной технологии осуществлялась в два этапа. Первый этап — создание механизированного комплекса для образования опережающей забой прорези, подбор состава быстро-твердеющего бетона, прогнозный анализ несущей способности опережающей крепи. Второй этап — внедрение разработок на объектах. Изучение отечественных и зарубежных технических публикаций по данному вопросу и патентный поиск позволили разработать и изготовить сначала опытный агрегат МОК, а затем головной образец агрегата АСК. Агрегат АСК позволяет создавать опережающую прорезь в грунте и возводить постоянную обделку из сборных элементов. Агрегат конструктивно выполнен как совмещенная машина на базе врубовой машины Урал-ЗЗМ и блокоукладчика типа УБК (рис. 4.38).

Рис. 4.38. Схема создания опережающей временной крепи агрегатом АСК: а — схема агрегата; б — схема крепи; 1 — портальная рама;

2 — укладчик блоков обделки; 3 — передняя дуговая направляющая; 4 — задняя боковая направляющая; 5 — каретка; 6 — продольная рама; 7 — подрезочная машина; 8 — бетонная опережающая крепь;

9 — конструкции боковых станционных тоннелей

Агрегат АСК выполняет два основных цикла работ. Первый цикл — нарезка дуговой щели с последующим заполнением ее быстротвердеющей бетонной смесью, в результате чего образуется бетонная опережающая крепь в виде конусной арки. Крепь сооружается выше контура постоянной обделки (с зазором 80 мм для возможности ее монтажа), обеспечивает закрепление кровли забоя в секторе 96°. В продольном направлении крепь располагается под углом 15° к оси тоннеля. Второй цикл — монтаж блоков постоянной обделки станционного тоннеля. При этом дуга укладчика поднимается на проектную отметку, обеспечивающую верхним рольгангам превышение наружного контура обделки свода на 80 мм. Блоки подают на верхний рольганг с помощью телескопического подъемника и транспортируют по верхнему рольгангу к месту их установки. После установки замкового блока производят нагнетание быстротвердеющего раствора в пространство между блоками и крепью и обжимают собранный свод в грунт.

Технические характеристики агрегата АСК

Одновременно с работой механизированного комплекса осуществляется подбор состава быстротвердеющего бетона, нагнетаемого в прорезь. Исследования показали, что прочность бетона при твердении опережает рост напряжений в крепи от изменяющейся во время нагрузки.

С целью увязки во времени всех технологических параметров по возведению временной и постоянной крепей и обеспечению высоких скоростей проходки разработана циклограмма на заходку 1,4 м (рис. 4.39) при непрерывной работе по скользящему графику в три смены по 7 ч 12 мин каждая. Скорость проходки — 37 колец, или 27,75 м/мес.

5.ЗАЩИТА ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ОТ ГРУНТОВЫХ ВОД

СПОМОЩЬЮ БАРРАЖА

5.1. Общие сведения о барражах

Большинство заглубленных и подземных сооружений тоннелей и метрополитенов полностью или частично залегают в сложных гидрогеологических условиях, значительно осложняющих их строительство и эксплуатацию. Некоторые из них (например линии Московского метрополитена) имеют несколько водоносных горизонтов с напором воды до 3 МПа и более. В указанных условиях нормальное строительство и тем более эксплуатация подземных сооружений невозможны без проведения специальных сложных, трудоемких и дорогостоящих работ, снижающих водопритоки

к выработкам.

материалом.

Ширина траншеи зависит от вида водонепроницаемого материала, заполняющего траншею, целевого назначения барража, способа сооружения и колеблется от 100–150 мм до 4–5 м. Глубина определяется отметками подошвы перекрываемого водоносного горизонта.

Водонепроницаемый материал (заполнитель) — это смеси, растворы или грунты, имеющие коэффициент фильтрации значительно ниже, чем замещаемые породы водоносного горизонта.

Сооружение барражей включает следующие технологические операции: разработку грунта, крепление стенок траншей, заполнение траншеи водонепроницаемым материалом.

Разработка траншей может осуществляться механическим или гидравлическим способами. Наиболее распространен механический способ разработки грунтов с помощью буровых, фрезерных или ковшовых исполнительных органов [11, п. 3] цикличного или непрерывного действия (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Классификация барражных машин

В зависимости от способа разработки грунт из траншеи выдается на поверхность рабочим органом или потоком циркулирующей жидкости, представляющей собой техническую воду или глинистый раствор (суспензию). Эта жидкость одновременно может использоваться для охлаждения рабочего органа и закрепления стенок траншеи.

Целевое назначение барража определяет вид материала-заполнителя, в зависимости от которого выделяют следующие типы барражей: сборный железобетонный, железобетонный, бетонный, глиноцементно-песчаный, глиноцементный, асфальтобетонный, глинистый, суглинистый, пастоглинистый, пастосуглинистый, траншеегрунтовый, пленочный [28].

Материалы-заполнители, приготовляемые на основе цементов и силикатов, используются в основном для сооружения барражей второй группы.

Барражи могут сооружаться путем укладки заполнителя в непрерывную траншею, в отдельные, впоследствии смыкаемые участки траншеи протяженностью 5–10 м, или в скважины. Таким образом, по способу сооружения барража можно выделить следующие его типы: траншейный, блочный, скваженный или свайный.

5.2.Барражные машины

5.2.1.Буровые барражные машины

Наиболее широкое применение для отправки траншей получили барражные машины вращательного действия (рис. 5.3).

Работы выполняются в следующем порядке. В начале траншеи (или отдельной заходки) в скважину опускают по направляющим 5 шаблон 6, по которому с помощью захвата 4 может перемещаться буровой снаряд, состоящий из груза 3, долота 2 и ведущей трубы 7.

Под действием осевого усилия долото 2, получая вращение от привода 9, отделяет частицы грунта от массива. Струей жидкости, поступающей к долоту от насоса 18, по шлангу 17 они выносятся из забоя. С помощью эрлифта жидкость, заполняющая скважину (а впоследствии траншею) и поддерживающая ее стенки от обрушения, откачивается на поверхность по направляющему шаблону через окно 1. Разрушенная порода увлекается потоком жидкости и по шлангу 15 поступает в устройство 16, отделяющее частицы породы от жидкости, которая вновь возвращается в траншею.

Для работы эрлифта воздух от компрессора (на рисунке не показан) по шлангу 13 и трубе 14 поступает к смесителю.