Проектирование конструкций подземных сооружений

Основные положения проектирования конструкций подземных сооружений:

Конструкции подземных сооружений проектируют с учетом следующих факторов:

· назначения (размеров поперечного сечения, протяженности, срока службы, схем сопряжения с поверхностью земли и другими выработками);

· условий строительства (инженерно-геологических, гидро-геологических, климатических, географических, топографических);

· производственно-технического уровня строительства и эксплуатации ПС (прогрессивных конструкций, способов, средств и технологий выполнения работ);

· экономичности способов и средств строительства и эксплуатации;

· экологичности включения ПС в окружающую среду на стадиях строительства и эксплуатации в смысле недопущения сверхнормативных вредных влияний объекта по газовыделению, шуму, вибрации, производственных и бытовых стоков и т.п.

В состав конструкций ПС входят:

· обделка (постоянная крепь), взаимодействующая с окружающим массивом горных пород (грунтов) и обеспечивающая надлежащую прочность ПС и его безопасное состояние на стадиях строительства и эксплуатации;

· внутренние конструкции, обеспечивающие, преимущественно, эксплуатационные свойства ПС (ниши, камеры, водоотводные, вентиляционные и электротехнические устройства, верхнее строение пути или дорожное полотно в транспортных тоннелях, пассажирские платформы и подплатформенные конструкции станций метро и т.п.).

Следует предусматривать возможность существенного различия обделок ПС на протяженных участках при локальных значительных изменениях геологии, на сопряжениях с другими выработками и с поверхностью земли, а также при других обстоятельствах.

При проектировании конструкций и технологии возведения обделок также приходится учитывать упомянутые 5 факторов.

Назначение ПС требует от обделки обеспечения ряда функциональных свойств: надлежащих прочности, долговечности и надежности в течение проектного срока службы при необходимых размерах поперечного сечения по габаритам или пропускной способности.

Условия строительства требуют учета взаимодействия обделки с массивом пород в статическом и динамическом режимах, с грунтовыми водами разных составов и температур, с колебаниями температуры воздуха, а следовательно, придания обделке нескольких специфических качеств: водонепроницаемости, морозостойкости, антикоррозийности, сейсмостойкости и т.п.

Производственно-технические требования должны обеспечить возможность использования эффективных крепежных материалов, прогрессивных конструкций и высокопроизводительных, безопасных технологий их возведения, изготовления элементов и их транспортировки до забоя, а также усиления, ремонта и погашения (если это предусмотрено проектом или при возникновении аварийных ситуаций). Раздел проекта «Промышленная безопасность» подвергается специальной экспертизе, результаты которой рассматривают и утверждают в органах Госгортехнадзора.

Экономичность требует отыскания конструктивных и технологических решений по минимизации материальных, трудовых и денежных затрат на изготовление и возведение обделок и последующее их содержание.

Экологичность требует использования материалов, конструкций и способов производства работ, безопасных для здоровья людей (строителей, эксплуатационников, пассажиров, пешеходов, жителей близлежащих домов или населенных пунктов и т.п.), а также природной среды. Следует предусматривать изыскания и последующие наблюдения за наличием и возникновением в процессе строительства различного рода загрязнений в массиве пород (грунтов), в подземных выработках, на строительных площадках, во временных зданиях и сооружениях. Особое внимание следует уделять участкам подземных сооружений, располагаемых в зонах влияния различного рода могильников, свалок, кладбищ и т.п. объектов.

Выбор конструктивно-технологического типа крепи (обделки):

Рациональный тип временной или постоянной крепи с учетом многообразия их видов и конструкций выбирают с таким расчетом, чтобы в наибольшей мере использовать достоинства каждого в конкретных условиях строительства и эксплуатации.

Крепи горных выработок и обделки транспортных, гидротехнических и специальных подземных сооружений различают [1] по ряду признаков:

1) по назначению – временная и постоянная крепь (обделка);

2) по материалу – деревянная, металлическая, каменная, бетонная, железобетонная, из других материалов, смешанная;

3) по форме – прямоугольная, трапециевидная, полигональная, сводчатая, подковообразная, кольцевая, эллиптическая (рисунок 2.1);

Рисунок 2.1. Формы внутреннего очертания крепей (обделок): а – прямоугольная; б и в – трапециевидные; г – полигональная; д – бочкообразная; е, ж, з, и – сводчатые с вертикальными и наклонными стенами (формы сводов: е – трехцентровый пониженный; ж, з – циркульный пониженный; и – полуциркульный); к, л, м – подковообразные циркульного, трехцентрового и пятицентрового очертания; н – кольцевая; о, п – эллиптические.

4) по конструктивно-технологическому виду – сборная, монолитная, сборно-монолитная;

5) по характеру работы – ограждающая, изолирующая, несущая, комбинированная;

6) по типу конструкции – сплошная (монолитная и сборная из блоков, тюбингов, рам, установленных всплошную), интервальная (штанговая и рамная, различных форм, конструкций, установленная вразбежку), комбинированная (сочетание сплошной и интервальной);

7) по конструктивной схеме – балочная, арочная, кольцевая с жесткими или шарнирными соединениями элементов;

8) по деформационно-силовой характеристике – жесткая (до 20 мм), малоподатливая (до 100 мм), податливая (до 200 мм) и весьма податливая (более 200 мм);

9) по структуре конструкции – однослойная, многослойная;

10) по размещению на поверхностях выработки – потолочная, незамкнутая, замкнутая, торцевая;

11) по характеру контакта с массивом пород – без сцепления с массивом пород по наружному контуру, со сцеплением;

12) по местоположению на трассе выработки – крепь (обделка) протяженных участков, сопряжений и пересечений, закруглений, выходов на поверхность (порталов, устьев стволов и штолен);

 

13) по способам возведения – обычная и специальная (забивная, задавливаемая, погружная, опускная, предварительно обжатая и т.п.), возводимая при подземном и открытом способе производства горных работ;

14) по возможности перемещения – стационарная, передвижная.

Постоянную крепь (обделку) при проведении выработки возводят либо вслед за продвиганием забоя, либо с отставанием от него. Это зависит от конструкции крепи, характера проявлений горного давления, темпов и организации проходческих работ.

Временную крепь, при необходимости ее использования, следует применять либо механизированную передвижную, требующую при перестановке небольших трудозатрат (например, проходческие щиты), либо такой конструкции, которая затем войдет в состав постоянной крепи без необходимости перестановки. Эффективными видами такой крепи являются штанговая, набрызгбетонная и их комбинации.

В выработках, сооружаемых закрытым способом, применяют, как правило, сводчатые, круговые или эллиптические формы поперечного сечения, поскольку они целесообразны с точки зрения проявлений горного давления и работы элементов крепи из бетона, железобетона и чугуна, которые хорошо сопротивляются сжимающим усилиям и гораздо хуже изгибающим.

При открытом способе строительства подземных сооружений чаще используют прямоугольные формы сечения с одним или несколькими пролетами (перегонные тоннели или станции метро, пешеходные и коллекторные, автотранспортные тоннели на пересечении магистралей и т.п.). Однако при открытом способе применяют и сводчатые формы сечения (например, в односводчатых станциях метро).

Выполнив предварительный отбор двух-трех конкурирующих типов крепи (обделки) для конкретных условий с учетом влияющих факторов (см. раздел 3.1), уделяют особое внимание технологичности возведения сравниваемых крепей. Для долговременных подземных сооружений применяют крепи из долговечных крепежных материалов (бетон, железобетон, чугун, реже сталь). Тесно связывая их конструкции с технологией проведения и крепления, необходимо стремиться к малооперационности процесса крепления при минимизации объема немеханизированных операций. Например, считавшиеся в недавнем прошлом весьма эффективными тюбинговые кольцевые крепи при щитовой проходке перегонных тоннелей метро успешно вытесняются железобетонными блочными крепями, разжимаемыми на породу гидродомкратами в лотковых полублоках (Санкт-Петербургский вариант при щитовом комплексе КТ 1-5,6). Продолжительность сборки на дуговом конвейерном крепеукладчике такого блочного кольца сокращается с 60-80 мин до 8-10 мин, поскольку исключаются из процесса крепления трудоемкие ручные работы по укладке тюбингов от лотка к шелыге свода, установке болтовых связей между тюбингами, замыканию ключевым тюбингом кольца в верхней его зоне. Кроме того, разжатие блочного кольца на породу исключает необходимость выполнения трудоемких работ по первичному тампонажу закрепного пространства и обеспечивает быстрое включение крепи в работу с массивом пород, благодаря чему значительно снижаются его смещения и осадки земной поверхности.

При щитовой проходке тоннелей по обводненным породам вместо чугунных тюбинговых обделок широко используются блочные железобетонные из высокопрочных водонепроницаемых бетонов с эластичными межблоковыми уплотнителями, например, неопреновыми.

В железнодорожных, автодорожных и гидротехнических тоннелях эффективны монолитные бетонные и железобетонные обделки при использовании передвижных секционных гидрофицированных опалубок, быстротвердеющих бетонов и высокопроизводительных бетоноукладчиков. В качестве временной крепи, при необходимости, применяется комбинированная крепь из анкеров и набрызгбетона, которая затем входит в состав постоянной, сокращая расход материалов и труда.

Конструктивно-технологический тип крепи (обделки) следует выбирать с учетом ряда влияющих факторов (см. раздел 3.1).

Назначение подземного сооружения диктует размеры и форму его поперечного сечения в свету (по внутреннему контуру крепи и верху балластного слоя или дорожного полотна). Площадь поперечного сечения в свету (S _св) находят по габаритам эксплуатационного (иногда и проходческого) оборудования, транспортных средств, зазоров и проходов, установленных правилами безопасности, а для гидротехнических тоннелей по проектному расходу жидкости. В качестве исходной позиции при проектировании транспортных тоннелей используют габарит приближения строений: для перегонных тоннелей метро кругового очертания С_м.к, прямоугольного очертания С_м.п, для однопутных железнодорожных тоннелей С, для автодорожных тоннелей по ГОСТ 24451-80 (от Г-9 до Г-7, где цифра обозначает ширину дорожного полотна в метрах, зависящую от категории дороги (I-IV) и длины тоннеля). Площадь сечения в свету определяет пропускную способность выработки по вентиляции и является исходной величиной для расчета площади сечения вчерне (S _чер) (по наружному контуру крепи и подошве выработки, если крепь незамкнутая). Проектную площадь поперечного сечения выработки в проходке (S _пр) находят по размерам выработки вчерне, увеличиваемым на нормируемую величину проектного перебора. Ориентировочно S _пр = (1,03-1,05) S _чер, но при точном расчете учитывают применяемые способ и технологию проходки выработки.

Протяженность выработки в значительной мере определяет выбор способа, технологии и механизации проходки, в том числе возведения обделки. В выработках большой протяженности (больше 500-1000 м) уместно при соответствующем обосновании использовать высокопроизводительную дорогостоящую проходческую технику, обеспечивающую комплексную механизацию работ, высокие качество и скорость проходки (около 1000-2000 м/мес.), надежность оборудования, культуру производства, безопасность труда. Такого рода комплексы выпускают многие известные в мире фирмы (Роббинс, Херенкнехт, Вирт, Мицубиси и др.) для проходки выработок разного назначения при разнообразных условиях строительства (в скальных, полускальных, мягких, рыхлых сухих и обводненных породах).

Производственно-технический уровень строительства ПС определяется не только наличием высокоэффективных конструкций обделок и прогрессивных комплексов оборудования, но в большой мере оптимальной организацией работ.

При проектировании линии метро, например, протяженностью 15 км при среднем расстоянии между станциями 1,5 км можно разделить линию на 10 отрезков по 1,5 км и поручить их строительство 10 строительным организациям. Каждая из них будет выполнять полный комплекс работ по строительству станции, пристанционных и притоннельных сооружений, перегонных тоннелей. Для этого потребуется организовать десятки горно-проходческих бригад и оснастить их соответствующим количеством горно-строительного оборудования. При ограниченном объеме работ в пределах полуторакилометровых участков такое оборудование не должно быть высокопроизводительным и дорогим, иначе затраты на его приобретение, монтаж-демонтаж и эксплуатацию будут чрезмерно большими.

При поточно-сквозной организации строительства для проходки перегонных тоннелей может быть предусмотрена одна пара высокопроизводительных комплексов дорогостоящего оборудования, которое может в настоящее время обеспечить устойчивую скорость проходки около 1200-1500 м/мес. при высоком качестве работ. В этом случае 15 км линии будут пройдены за 10-12,5 мес., а станции метро рациональных конструкций сооружаться последовательно, по мере проходки перегонных тоннелей. При такой поточной организации строительства потребуется небольшое число специализированных проходческих бригад и соответствующее число комплектов горно-строительного оборудовании.

Тип и конструкция обделки в этом случае должны быть высокомеханизируемыми и быстро вступающими в работу. Этим требованиям в настоящее время удовлетворяют в наибольшей мере сборная железобетонная блочная обделка, разжатая в породу одним из способов.

При проходке буровзрывным способом тоннеля на полное сечение в комплекс оборудования включают буровые рамы на 10-15 длинноходовых бурильных машин при высоте выработок до 12 м или самоходные бурильные установки на 2-4 бурильных машины при высоте выработок до 5 м. Для уборки породы используют высокопроизводительные погрузочные машины или подземные экскаваторы (преимущественно гидравлические) в сочетании с эффективными видами призабойного и линейного транспорта (конвейерного, рельсового, самоходного пневмоколесного, гидравлического и т.п.).

Темпы проходки тоннеля при хорошей организации строительства могут достигнуть 150-200 м/мес. Монолитная бетонная обделка при механизированном возведении вполне соответствует рассмотренной технологии механизации работ. В качестве временной крепи при этом рационально использовать анкерную, набрызг­бетонную или их комбинации.

Для проходки по скальным и полускальным породам применяют также проходческие комбайны бурового (роторного) типа, способные проходить выработки со скоростью 500-1500 м/мес. При круглой форме поперечного сечения целесообразна сборная кольцевая крепь из железобетонных блоков или кольцевая крепь из монолитно-прессованного быстротвердеющего бетона или фибробетона.

Экономическая оценка сравниваемых вариантов обделок должна включать в себя 5 основных показателей прямых затрат на 1 м выработки:

, (3.1)

где С_i – общая стоимость обделки на 1 м выработки i -го варианта; С _м – стоимость материалов обделки; С _з.п – заработная плата на возведение 1 м обделки; С _м.д, С _а и С _р – приведенные к 1 м выработки затраты соответственно на монтаж-демонтаж крепежного оборудования, его амортизацию и используемые ресурсы (электроэнергия, сжатый воздух, вода); С _э – приведенные эксплуатационные расходы на содержание обделки выработки в исправном состоянии (контроль, профилактические мероприятия, ремонт).

При оценке стоимости материалов учитывают, что расход бетона на монолитные обделки, как правило, больше в 1,5-2 раза, чем на сборные железобетонные, стоимость которых выше в 2-4 раза. Механизация крепления сокращает численность рабочих и зарплату, но требует существенных затрат на монтажно-демонтажные работы, амортизацию оборудования, а иногда и на использованные ресурсы.

Затраты на содержание обделки в исправном состоянии зависят от ее вида и условий эксплуатации. Служба эксплуатации и ремонта подземных сооружений должна организовывать визуальный и инструментальный контроль за состоянием сооружений, выявлять и устранять нарушения, выполнять профилактические мероприятия для исключения аварийных ситуаций, а при их возникновении устранять последствия. Нормативы таких затрат составляют на основании сбора и обработки информации по содержанию разных типов обделок в разных условиях их эксплуатации.

Экологичность особенно важна в подземных сооружениях, в которых перемещаются или долго находятся люди, хранятся продукты питания, вина, питьевые воды и т.п. Обделки таких сооружений должны изготавливаться из материалов, безопасных для здоровья людей и окружающей среды по радиоактивности, газовыделению, токсичности и пр. Обделки канализационных тоннелей должны быть непроницаемыми для сточных вод и для грунтовых вод в обратном направлении.

 

Вопросы для текущего контроля и зачёта.

1. С учётом каких основных факторов проектируют конструкции подземных сооружений?

2. Перечислите основные виды обделок

3. Назовите условия при которых применяется тюбинговая обделка?

4. Как определяют площадь поперечного сечения в свету?

5. Как площадь поперечного сечения в проходке связана с габаритом приближения строений?

6. Чем важен выбор оптимальной организации работ?

7. Перечислите основные показатели прямых затрат

8. Какие формы поперечного сечения получили наибольшее распространение при проходке выработок закрытым способом?

С учётом каких факторов следует выбирать конструктивно-технологический тип крепи?

 

Лекция № 3