Классы бетона по прочности для подземных сооружений

№ п/п	Конструкции и их элементы	Класс бетона
	Высокоточные железобетонные блоки обделок из водонепроницаемого бетона для закрытого способа работ	В40
	Обычные железобетонные элементы обделок для закрытого способа работ	В30
	Сборные железобетонные элементы обделок для открытого способа работ (включая цельносекционные), несущих конструкций, «стен в грунте», внутренних конструкций, опускных секций подводных тоннелей.	В25
	Монолитные бетонные и железобетонные обделки метро	В20
	Монолитные железобетонные внутренние конструкции, «стены в грунте» для крепления котлованов, бетонные подготовки под гидроизоляцию, порталы, оголовки, путевой бетонный слой	В15
	Жесткое основание пути и полов, водоотводящие и кабельные лотки	В7,5

Сталь соответствующих марок допустимо применять [16] для устройства прогонов станций метро, колонн, перемычек над проходами, сопряжений обделок разных диаметров, гидроизоляции сложных конструкций (например, в подводных тоннелях) и т.п. Для армирования бетонных конструкций и анкерования горных пород вокруг выработок широко используют стальную арматуру классов А-II, A-III, A-IV периодического профиля и A-I гладкого профиля [12], стальные канаты (при глубоком анкеровании) и даже «струнную арматуру» для предварительно напряженных конструкций.

Для изготовления элементов водонепроницаемых тюбинговых обделок обычно используют серый чугун (ГОСТ 1412) или высокопрочный чугун (ГОСТ 7293), нормативные и расчетные сопротивления которых представлены в СНиП II-23 [15]. Серый чугун СЧ-20, часто применяемый для изготовления тюбингов, хорошо противостоит коррозии и имеет прочность на сжатие 200 МПа, однако он хрупок и имеет невысокую прочность на растяжение (65 МПа). Высокопрочный чугун ВЧ 50-2, ВЧ 60-2, ВЧ 70-3 обладает высокой прочностью не только при сжатии, но и при растяжении (в 2,5-3 раза больше, чем серый чугун).

Наряду с широко распространенными материалами в отдельных случаях применяют и менее распространенные: полимербетон, набрызгбетон, сталефибробетон и т.п.

Полимербетон, отличающийся от обычных цементных бетонов использованием в качестве вяжущего синтетической смолы холодного твердения, обладает более высокой стойкостью к воздействию агрессивных газов и вод, хорошей удобоукладываемостью, высокой прочностью и меньшей хрупкостью, более короткими сроками твердения и набора прочности. Его применение может быть целесообразным в конструкциях подземных сооружений, работающих в агрессивных средах (например, в канализационных коллекторах). Следует, однако, учитывать, что синтетические смолы дороже цементных вяжущих, в определенной мере токсичны и требуют специально обученных рабочих и ИТР.

Набрызгбетон, отличающийся безопалубочным способом нанесения на закрепляемую поверхность при помощи сжатого воздуха мелкозернистой бетонной смеси с быстродействующим ускорителем твердения, может быть использован в качестве самостоятельного средства возведения упрочняюще-выравнивающей крепи (обделки) или элемента комбинированной обделки в сочетании с анкерной крепью или другими видами крепи.

Технологичность приготовления бетонной смеси и возведения крепи, повышенная плотность и прочность набрызгбетона, упрочняющее воздействие на приконтурную трещиноватую зону массива обеспечивают надлежащую устойчивость выработок при небольших расходе материалов и трудозатратах в породах скального и полускального типов. Набрызгбетон пригоден также для повышения водонепроницаемости обделок, в частности, в канализационных коллекторах.

Для получения высокого качества набрызгбетонного покрытия целесообразно использовать схему сухого набрызгбетонирования с затворением сухой смеси водой и ускорителем схватывания в смесительной камере в 5-7 м от сопла.

Сталефибробетон представляет собой мелкозернистый бетон, хаотично армированный мелкими стальными отрезками (фибрами) диаметром 0,1-0,9 мм и длиной 20-50 мм с расходом до 30 кг на 1 м³ смеси. Дисперсное армирование повышает трещиностойкость, прочность бетона на сжатие (15-20 %), изгиб (до 250 %), динамические нагрузки, истираемость. Такой материал может быть успешно использован для возведения монолитно-прессованной обделки тоннелей при щитовой проходке в сложных горно-геологических условиях, изготовления сборных элементов обделки, заделки различного рода швов, зазоров между конструктивными элементами, возведения монолитной железобетонной обделки и рубашки и даже нанесения фибро-набрызг­бетонного слоя. Основные способы и средства приготовления, транспортировки и укладки бетона сохраняются, при этом результаты получаются более высокие.

 

 

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 (рис.3.1);

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);

д     в   г     б   а                                                                             п   о                   Рис.3.1. Формы внутреннего очертания крепей (обделок): а – прямоугольная; б и в – трапециевидные; г – полигональная; д – бочкообразная; е, ж, з, и – сводча- тые 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

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.