Возведение тоннельной обделки

Возведение обделки при щитовом способе сооружения тоннелей является неотъемлемой частью проходческого цикла и одной из его основных операций. Эта операция в значительной степени определяет трудоемкость работ и темпы сооружения тоннелей. При применении щитов с рассекающими перегородками или механизированных щитов вследствие сокращения времени на разработку забоя удельный вес затрат времени на возведение обделки в проходческом цикле работ достигает 55–60 %. В этом случае процесс возведения обделки может серьезно сдерживать дальнейшее наращивание темпов проходки. Поэтому при щитовом способе сооружения тоннелей необходимо применять такие типы обделок, которые обеспечивали бы высокий уровень механизации работ по их возведению.

В практике строительства тоннелей щитовым способом применяют обделки двух типов: сборные, собираемые в кольцо из отдельных элементов, и монолитные, возводимые прессованием бетонной смеси в кольцевой опалубке.

Сборные обделки получили в настоящее время наибольшее распространение. Выполненные из железобетонных или чугунных элементов, они применимы в любых инженерно-геологических условиях. Процесс возведения сборных обделок высокомеханизирован, что способствует снижению трудовых затрат и достижению высоких темпов их монтажа. Сборные обделки монтируют из тюбингов или из блоков. Тюбинги изготавливают из чугуна или из железобетона. Они имеют круговые и радиальные борта, а также промежуточные ребра жесткости. При монтаже обделки тюбинги соединяют между собой в кольцо болтами через отверстия в радиальных бортах, а через отверстия в круговых бортах — со смежными кольцами. Смежные кольца тюбинговой обделки монтируют с перевязкой швов между радиальными болтами.

Блоки изготавливают из железобетона. Они имеют прямоугольное или ребристое сечение. Блоки укладывают в кольцо без скрепления болтами и, как правило, без перевязки швов в смежных кольцах. Отсутствие болтовых скреплений в блочной обделке снижает трудоемкость работ и сокращает время, необходимое на ее возведение по сравнению с тюбинговой обделкой.

Монтаж сборных обделок ведут с применением специальных механизированных агрегатов – тоннельных укладчиков. Различие в конструкции тюбинговых и блочных обделок оказывает существеннее влияние на состав и порядок выполнения рабочих операций при их монтаже. Очевидно, что это различие диктует определенные требования и к тоннельным укладчикам. Так, монтаж обделки из железобетонных или чугунных тюбингов ведут укладчиками рычажного типа, а из железобетонных блоков – укладчиками как рычажного, так и дугового типа.

Технология возведения сборной обделки включает разгрузку тюбингов или блоков с транспортных средств, подачу их под захватывающее приспособление укладчика, закрепление на нем и подачу этих элементов к месту установки в кольце.

Монтаж сборной обделки ведут под защитой оболочки щита после очередной его передвижки на новую заходку. Включив обратный ход щитовых гидроцилиндров, освобождают место для монтажа очередного кольца. Элементы обделки доставляют на специальных тележках на узкоколейном железнодорожном ходу – тюбинго- или блоковозках, а также автотранспортом. В зависимости от средств доставки и технологического оборудования за щитом элементы обделки подают непосредственно под захват укладчика или разгружают на расстоянии нескольких десятков метров от щита. В последнем случае тюбинги или блоки перемещают к укладчику с помощью тельфера, подвешенного к монорельсу, или по рольгангу, установленному с наклоном в сторону щита.

Монтаж тюбинговой обделки производят снизу вверх рычажными укладчиками (рис. 2.5). Монтаж обделки начинают с установки лоткового тюбинга на очищенную от грунта и мусора поверхность оболочки щита. При этом строго соблюдают его проектное положение, не допуская отклонения в плане и профиле. Болтовые отверстия в кольцевом борте тюбинга совмещают с болтовыми отверстиями ранее смонтированного кольца, забивая в них стальные конические стержни-оправки. Затем устанавливают болты с гидроизоляционными шайбами и затягивают их пневмосболчивателем. После этого оправки выбивают, в освободившиеся болтовые отверстия вставляют болты и затягивают их до отказа. Для совмещения болтовых отверстий каждого следующего за лотковым тюбинга, кроме двух оправок по его кольцевому борту, забивают дополнительную оправку в радиальный борт. Освобождать рычаг укладчика и производить укладку последующего тюбинга можно только после надежного закрепления ранее уложенного. Тюбинги выше горизонтального диаметра тоннеля должны скрепляться только с выдвижных площадок укладчика. При монтаже кольца необходимо вести контроль за плотностью примыкания бортов смежных тюбингов и качеством затяжки болтов.

Рис. 2.5 – Монтаж сборной обделки из чугунных тюбингов: 1 – рычаг тюбингоукладчика; 2 – чугунный тюбинг

Сборку тюбингового кольца производят три-четыре проходчика и машинист укладчика. В зависимости от конструкции обделки и диаметра тоннеля трудозатраты составляют от 6 до 12 чел.-ч при диаметре тоннеля 5,5–6 м, и от 20 до 30 чел.-ч при диаметре тоннеля 8,5–9 м.

Сигналы машинисту укладчика в процессе монтажа кольца подает только один рабочий, назначенный технадзором (обычно бригадир). Для обеспечения безопасности ведения монтажных работ рабочие не должны находиться в зоне вращения рычага, а также стоять под поднятым тюбингом и перемещаться по лестницам укладчика. Запрещается оставлять тюбинг в поднятом состоянии по окончании смены или во время перерыва в работе.

После установки замкового элемента необходимо определить величины отклонений геометрических размеров собранного кольца от проектного кругового очертания – эллиптичность кольца. Для этого кольцо измеряют по вертикальному и горизонтальному диаметрам, а также по двум диаметрам под углом 45° к горизонту. Отклонение измеренных величин не должно превышать значений, установленных Строительными нормами. Так, например, для сборных обделок перегонных и станционных тоннелей метрополитена эллиптичность колец до передвижки щита и укладчика не должна превышать ±25 мм, после передвижки – ±50 мм.

Монтаж обделки из железобетонных блоков производят укладчиками как рычажного, так и дугового типа в зависимости от конструкции обделки. При использовании рычажного укладчика монтаж блочной обделки ведут от нижнего элемента к замковому с соблюдением приемов и правил, подобных указанным при монтаже тюбинговой обделки. При укладке блоков выше горизонтального диаметра их поддерживают выдвижными балками, расположенными на арках укладчика. Блоки, как правило, собирают без перевязки радиальных швов между кольцами. Взаимное расположение блоков в кольце без уступов обеспечивается за счет конструкции стыка между ними. В большинстве случаев для этой цели применяют фиксирующие безрезьбовые шпильки, которые вставляют при монтаже в специальные отверстия по торцам блоков. Взаимное смещение блоков в кольце по продольным стыкам не должно превышать ±10 мм, а по кольцевым – ±15 мм.

Монтаж кольца заканчивают установкой замкового элемента. Как правило, этот элемент образуют, укладывая по ширине кольца три блока-вкладыша, которые заводят поочередно со стороны забоя.

Сборные блочные обделки тоннелей целесообразно возводить с обжатием в грунт. Сущность этого способа заключается в том, что кольцо блочной обделки, смонтированное под защитой оболочки щита, плотно прижимают к контуру выработки, как только после передвижки щита оно выйдет за пределы оболочки. Плотный контакт такой обделки с грунтом по всему периметру обеспечивает немедленное включение ее в работу с окружающим массивом, предупреждает осадки поверхности земли, исключает необходимость первичного нагнетания раствора за обделку. Очевидно, что применение обжатых в грунт обделок рационально в таких условиях, когда при проходке может быть создан гладкий контур выработки правильной круговой формы и обеспечена ее устойчивость за пределами оболочки щита на период разжатия кольца. Этим условиям соответствует сооружение тоннелей механизированными щитами в плотных супесях и суглинках, в пластичных или плотных глинах, слабых скальных грунтах.

Основными механизмами для монтажа и обжатия обделки являются рычажный или дуговой укладчик и распорные домкраты. Как правило, используя существующие механизмы, вносят в них соответствующие изменения, связанные с особенностями монтажа. Последовательность укладки блоков в кольцо зависит от конструкции обделки и принятого метода ее обжатия.

Методы обжатия обделки весьма разнообразны. Наибольшее распространение получили методы обжатия вдавливанием в кольцо щитовыми гидроцилиндрами трапециевидных (клиновых) блоков (рис. 2.6, а) или разжатия кольца специальными гидроцилиндрами (рис. 2.6, б). В первом случае функции распорного элемента, фиксирующего разжатое положение кольца, выполняют клиновые блоки (1), вдавливаемые между смежными блоками обделки (2), а во втором – зазор между блоками кольца, раздвинутыми гидроцилиндрами (3), который фиксируется различного рода вкладышами (4) или жестким бетоном.

Рис. 2.6 – Схема обжатия сборной железобетонной обделки

Устройства для обжатия обделки могут находиться непосредственно в распорном стыке либо за его пределами. Распорные стыки располагают в своде, боках или лотке обделки. Усилие обжатия зависит от диаметра обделки, свойств окружающего грунта, места расположения распорных устройств и составляет от 150 до 600 кН (15–60 т).

Результаты производственного внедрения обделок, обжатых в грунт, и значительный объем научных исследований показали, что в плотных грунтах целесообразно разжимать обделку из лотка, существенно сокращая время на ее возведение. Например, при проходке перегонных тоннелей ленинградского метрополитена такую обделку монтируют укладчиком кольцевого типа специальной конструкции (рис. 2.7, а). Блоки обделки (3), начиная с верхнего, проталкивающими механизмами (4) поочередно справа и слева направляются по роликовым опорам (1) кондуктора (2) вверх до смыкания в шелыге свода. Упорами блоки удерживают на кондукторе до укладки лотковых блоков. Лотковые блоки (6) (рис. 2.7, б) устанавливают в последнюю очередь по два в кольце. Конфигурация смежных торцов лотковых блоков такова, что при совмещении они образуют нишу для установки распорного гидроцилиндра (7). Смонтированное кольцо разжимают этим гидроцилиндром в два этапа. На первом этапе ликвидируют строительный зазор между поверхностью кольца и оболочкой щита, на втором – обжимают кольцо в грунт усилием до 300 кН (30 тс) после схода его с оболочки. После окончательного обжатия кольца в стык лотковых блоков вставляют клиновидные вкладыши (5) и удаляют гидроцилиндр. На его место вставляют железобетонный вкладыш на цементно-песчаном растворе.

Рис. 2.7 – Схема монтажа железобетонной обделки кольцевым (конвейерным) блокоукладчиком (а) и узел разжатия в локтевом блоке (б)

Процесс сборки блоков по этой технологии происходит практически непрерывно, что выгодно отличает ее от всех известных ранее, обеспечивает высокую производительность и качественный монтаж обделки. При этом созданы лучшие условия охраны труда, так как рабочие не выполняют монтажных работ на высоте. Монтаж кольца выполняют всего 3 чел. за 7–9 мин, а общее время на возведение обделки, включая обжатие кольца и омоноличивание стыков, составляет 25–30 мин. Таким образом, трудоемкость работ на возведение одного кольца этой обделки составляет 1,2–1,5 чел.-ч.

При сооружении перегонных тоннелей метрополитена в слабых устойчивых грунтах естественной влажности (глинистые грунты и суглинки с f = 0,8÷1) применяют конструкцию сборной железобетонной обделки, обжатие которой производят из лотка двумя гидроцилиндрами (рис. 2.8). Обделку монтируют рычажным блокоукладчиком (1) в следующем порядке (показана на рисунке римскими цифрами). Первым устанавливают лотковый блок (3), в торцах которого имеются ниши (4). В эти ниши устанавливают распорные гидроцилиндры, развивающие при обжатии усилие до 300 кН (30 т). Затем поочередно с правой и левой стороны монтируют остальные блоки обделки. В стыки блоков в процессе монтажа устанавливают металлические шпильки. При монтаже блоков выше горизонтального диаметра кольца их поддерживают выдвижными балками укладчика (2). После установки последнего блока включают одновременно оба гидроцилиндра, производя первичное разжатие кольца до смыкания блоков в своде. Это положение кольца фиксируют при помощи металлических прокладок и передвигают щит. После схода кольца с оболочки щита снова включают одновременно оба гидроцилиндра, производя вторичное и окончательное разжатие кольца. Окончательное разжатие производят до того момента, когда в зазоры а между лотковым блоком и смежными с ними блоками будет возможно установить железобетонные вкладыши (5). Затем снимают давление, извлекают гидроцилиндры и на их место устанавливают вкладыши (6). Зазоры между вкладышами и блоками заливают цементным раствором.

Рис. 2.8 – Схема монтажа железобетонной обделки рычажным укладчиком

Время на монтаж обделки, ее обжатие и омоноличивание стыков составляет 1,3–1,5 ч, трудоемкость работ 7–8 чел. -ч.

Практика отечественного метростроения показала, что при соответствующем изменении конструкции оболочки щита, обжатые в грунт обделки можно возводить и в песчаных грунтах естественной влажности. Для этого оболочку щита наращивают на ширину одного кольца отдельными стальными полосами толщиной до 6 мм. Полосы располагают вплотную друг к другу по всему периметру, образуя гибкую часть оболочки. Монтаж кольца ведут в пределах жесткой части оболочки, а после передвижения щита под прикрытием гибкой ее части производят обжатие обделки с двух сторон на уровне, близком к горизонтальному диаметру.

Монолитно-прессованная обделка возводится обжатием бетонной смеси, уложенной за кольцевую опалубку. Обжатие обычно производят усилиями гидравлических цилиндров в направлении оси тоннеля.

Достоинством монолитно-прессованной обделки является возможность ее применения в широком диапазоне инженерно-геологических условий – в любых грунтах, способных оказать отпор бетонной смеси в процессе ее обжатия. В случае возведения такой обделки в водонасыщенных грунтах необходимо обеспечить водонепроницаемость бетона. Применяя такую обделку, обеспечивают плотный контакт ее с окружающим грунтом, способствуя более благоприятному статическому взаимодействию системы «обделка – грунт». В этом случае также отпадает необходимость первичного и контрольного нагнетания цементного раствора за обделку, существенно уменьшаются осадки поверхности земли, исключаются работы по гидроизоляции стыков, присущие сборной обделке.

В нашей стране разработаны и широко применяются различные способы прессования обделки в зависимости от свойств окружающих тоннель грунтов. При сооружении тоннелей в слабых грунтах (пески, глинисто-песчаные грунты, мягкие глины) прессование бетонной смеси производят за счет реактивного усилия щитовых домкратов при передвижке щита (рис. 2.9, а). Бетонную смесь подают в кольцевое пространство между оболочкой щита (1) и опалубкой (4). Со стороны щита это пространство перекрыто прессующим кольцом (2). Прессующее кольцо соединено при помощи патрубка с бетоноводом (5). Щит, передвигаясь вперед, упирается щитовыми гидроцилиндрами через прессующее кольцо в бетонную смесь. Смесь под давлением уплотняется, плотно прилегает к контуру выработки, заполняя пространство, освобожденное оболочкой щита при его передвижке.

Рис. 2.9 – Схема возведения обделки из монолитно-прессованного бетона: а – в неустойчивых грунтах; б и в – в устойчивых грунтах

При сооружении тоннелей в плотных устойчивых грунтах с коэффициентом крепости f ≥ 1,5 прессование бетонной смеси возможно по двум вариантам. По одному из них (рис. 2.9, б) разработку грунта и возведение обделки выполняют последовательно. Вначале разрабатывают грунт в забое и передвигают щит. Опорой ему служит распорное кольцо (6), закрепленное разжатием в контур выработки и оснащенное гидравлическими цилиндрами (7) с противоположной от щита стороны. Этими гидроцилиндрами через прессующее кольцо (2) обжимают уложенную за опалубку (4) бетонную смесь. Прессующее кольцо может иметь оболочку для защиты зоны укладки бетонной смеси в грунтах, склонных к вывалообразованию. Система, состоящая из распорного и прессующего колец, передвигается независимо от щита.

По другому варианту (рис. 2.9, в) разработку грунта в забое и возведение обделки производят параллельно и независимо друг от друга. Работа по этой схеме возможна в грунтах, позволяющих оставлять на некоторое время выработку за щитом без крепления. Система включает два распорных кольца. Распорное кольцо (8) служит опорой гидроцилиндрам щита при его передвижении. Это кольцо, щит подтягивает к себе специальными гидроцилиндрами после очередной передвижки. Распорное кольцо (6) служит опорой для гидроцилиндров (7), обжимающих бетонную смесь через прессующее кольцо (2). Расстояние между распорными кольцами назначают в зависимости от устойчивости незакрепленной выработки.

Бетонную смесь приготавливают в большинстве случаев на строительной площадке у тоннеля и доставляют составами в пневмоподатчиках к месту укладки.

Обжатие бетонной смеси проводят в две стадии: на первой стадии – давлением под торцом прессующего кольца, равным 0,3–0,5 МПа (3–5 кгс/см), в течение 3–6 мин; на второй стадии – давлением до 2–5 МПа (20–50 кгс/см²), продолжительность которого устанавливают в зависимости от свойств окружающего грунта, но в любом случае не более 40 мин.

Для возведения монолитно-прессованной обделки может быть использована шарнирно-складывающаяся секционная опалубка. Длину опалубки назначают в зависимости от скорости возведения обделки и минимально допустимого времени выстойки бетона в опалубке. Например, при сооружении перегонных тоннелей метрополитена в песчаных грунтах используют секционную шарнирно-складывающуюся опалубку из 12–14 секций длиной 600 мм каждая. Такая опалубка обеспечивает набор бетоном необходимой прочности при темпах бетонирования до 120–130 м/мес. В крепких грунтах число секций опалубки можно сократить до 8.

После распалубливания поверхность монолитно-прессованной обделки должна быть ровной. Уступы между кольцами обделки в вертикальной плоскости не должны превышать ±30 мм. При относительной влажности в тоннеле менее 80% поверхность обделки увлажняют не позднее, чем через 3 часа и в дальнейшем в течение суток через каждые 6 ч. Недостатком секционной шарнирно-складывающейся опалубки являются многократно повторяющиеся операции по снятию и установке каждой сравнительно короткой ее секции. Поэтому дальнейшее совершенствование способа строительства тоннелей с монолитно-прессованной обделкой следует ожидать именно на основе использования скользящих опалубок.