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.

График изменения горного давления по времени
Рис. 227. График изменения горного давления по времени

При другом способе работ по сооружению тоннелей в мягких породах собственно проходка выработки и возведение 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, 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 тоннелестроения 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 против 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.

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.

Волков В.П., Наумов С.Н., Пирожкова А.Н., Храпов В.Г. Тоннели и метрополитены