Способы раскрытия сечений выработки
Сооружение тоннеля состоит из двух основных процессов: проходки, т. е. раскрытия выработки с установкой при необходимости временной крепи и возведения обделки, существуют различные способы производства работ, которые подразделяются на три группы.
В первую группу объединяются способы, характеризуемые тем, что сначала сечение выработки раскрывается полностью (за один или несколько приемов) с постановкой, как правило, временной крепи, а затем уже возводится обделка. К этой группе относятся способы полностью раскрытого профиля, сплошного забоя, ступенчатого забоя, верхнего и нижнего уступов, центральной штольни и подсводного разреза, а также способ опорного ядра с податливой обделкой (новоавстрийский).
Вторая группа характеризуется тем, что в первую очередь раскрывается верхняя часть выработки (калотта), после чего бетонируется свод, опирающийся на грунт. Под защитой возведенного бетонного свода производится разработка нижней части выработки (средняя и боковые штроссы) и подводка стен. К второй группе относятся способы опертого свода (одноштольневой, двухштольневой и с опережающей калоттой).
Третья группа отличается тем, что сначала проходят боковые штольни (в один, два или три яруса в зависимости от высоты выработки) на всю длину сооружаемого участка (кольца) тоннеля и в них сразу же возводят стены обделки, после чего проходят верхнюю штольню, раскрывают калотту и бетонируют свод, который опирается на уже готовые подведенные стены. Затем под защитой свода и стен разрабатывают среднюю часть (ядро) сечения выработки, лоток и бетонируют обратный свод. К этой группе относится способ опорного ядра.
Ниже представлены первый способ производства работ. Более конкретно рассмотрим способ сплошного и ступенчатого забоев.
Способ сплошного проходки забоя
Способ сплошного проходки забоя— проведение подземных выработок (автодорожных, железнодорожных, гидротехнических тоннелей, тоннелей и станций метрополитена, камер различного назначения) с раскрытием их на полное сечение за один приём. Способ применяют преимущественно в крепких скальных грунтах с коэффициентом крепости по шкале М. М. Протодьяконова более 4, способных обеспечить устойчивость кровли и плоскости забоя. Отличается наибольшей простотой и чёткостью в организации работ, возможностью применения высокопроизводительного горнопроходческого и бетоноукладочного оборудования, что обеспечивает высокие темпы проходки. Основные трудности связаны с переходом к другим способам работ (в случае изменения горно-геологических условий), а также с сохранением вертикальной плоскости забоя. Способ сплошного забоя следует применять для проходки выработок высотой до 10 м с монолитной обделкой в скальных грунтах. При этом временное крепление выработки при проходке в скальных (невыветрелых) грунтах с коэффициентом крепости от 12 и выше не требуется, а при проходке скальных выветрелых и сильнотрещиноватых грунтов применение временной крепи обязательно.
При способе сплошного забоя (рис. 1), 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 рамы, подтянутой к забою.
Рис.1. Способ сплошного забоя
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 на 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 поперек 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.
Выбор комплекса оборудования и организации работ при сплошном забое зависит от свойств грунтов, размеров поперечного сечения и протяжённости подземной выработки. В большинстве случаев грунт разрабатывают буровзрывным способом. При проходке протяжённых тоннелей шириной до 7 м и сечением до 60 м2 (однопутные железнодорожные тоннели) комплекс обычно включает: буровой агрегат портального типа для бурения и заряжания шпуров, оборки кровли и забоя, установки временной крепи; породопогрузочную машину непрерывного действия или тоннельный экскаватор для погрузки грунта в транспортные средства (например, проходческие вагоны большой вместимости с донным конвейером, объединяемые в бункер-поезда, перемещаемые электровозами, или подземные самосвальные автопоезда). С использованием указанного оборудования скорость проходки достигает 180-220 м/месяц.
При проходке крупнопролётных подземных выработок сечением до 100 м2 и более, когда ширина их достаточна для разминовки горнопроходческого оборудования, обуривание и заряжание шпуров в забое осуществляют с помощью самоходных бурильных установок на пневмоколёсном или гусеничном ходу, а погрузку грунта — экскаваторами или ковшовыми погрузочными машинами с боковой разгрузкой ковша вместимостью до 5-8 м3. При этом скорость проходки 120-150 м/месяц.
В ряде случаев для размещения горнопроходческого оборудования устраивают передвижную платформу с консольным мостом, что позволяет совместить погрузку грунта в нижнем ярусе с бурением шпуров и установкой временной крепи в верхней части выработки. Платформа состоит из нескольких секций, которые перемещаются по почве выработки гидравлическими домкратами, а консольный мост передвигается по рельсам, уложенным на платформе.
При сплошном забое монолитную бетонную обделку возводят в передвижной инвентарной опалубке, на возможно большем расстоянии от забоя, чтобы упростить организацию работ в тоннеле, разделив участки проходческих и бетонных работ и, соответственно, транспортные потоки.
При строительстве тоннелей метрополитена в грунтах средней и слабой устойчивости сплошного забоя используют при бесщитовой (эректорной) проходке с применением частично механизированных комплексов и сборной обделки.