Стратегия развития тоннелестроения в России
 Скачать 2.82 Mb.
|
|
Операции: разработка забоя с креплением его, чаще всего в процессе продвижения машины, выдача разработанного грунта от забоя в тоннель с передачей его на средства внутритоннельного транспорта, возведение в хвостовой части машины очередного кольца тоннельной обделки. К забою должны быть подведены: сжатый воздух, силовые и осветительные кабели, водопровод, вентиляционные трубы. П  од защитой ножевого кольца (1) за один или несколько приемов разрабатывают забой на заходку длиной l, равной ширине кольца обделки, с одновременной уборкой разрыхленного грунта. После разработки забоя включают щитовые гидравлические цилиндры (3), расположенные по всей окружности опорного кольца (2). Отталкиваясь от готовой обделки (5), щит передвигается вперед в свободное пространство. Затем, включая обратный ход, убирают штоки гидроцилиндров в исходное положение и под защитой оболочки щита (4) возводят обделку из сборных элементов или из монолитно-прессованного бетона, одновременно разрабатывая забой на следующую заходку.Временная крепь. Виды временной крепи. Виды: анкерная стальная арочная набрызгбетонная комбинированная Требования: работает от момента постановки до момента возведения постоянной обделки быстрая установка лёгкая сборка и разборка лёгкое перемещение комплексная При выборе крепи учитывают размеры пролета выработки и степень трещиноватости и устойчивости пород. При разработке выработки на полное сечение за один прием применяют стальную арочную крепь. При разработке забоя уступным способом с опережением верхней части забоя выработку закрепляют арочной крепью в два приема. При разработке породы в нижней части тоннеля под арочную крепь подводят стойки.  Анкерная крепь (длиной 0,8-2,5 метров и диаметром 20 мм) — это металлические стержни, вставленные в предварительно пробуренные в кровле и боках выработки шпуры. Стержни закрепляют в шпурах различными способами. Анкеры «прошивают» слои пород, расположенных вокруг выработки, не дают им расслаиваться и обрушаться.  Сущность способа крепления выработки набрызгбетоном заключается в том, что сразу после разработки грунта или в процессе на обнажаемую поверхность выработки наносят поддерживающий слой из быстросхватывающегося и быстротвердеющего бетона. Этот слой наносят методом набрызга (торкретированием). Это достигается путем подачи по шлангу под давлением сжатого воздуха сухой смеси песка, мелкого щебня и цемента, которая в специальном устройстве — сопле — смешивается с водой и выбрасывается на набрызгиваемую поверхность. Высокая скорость истечения смеси от сопла обеспечивает ее плотную укладку и хорошее сцепление с породой. Разработка грунта, погрузка и транспорт грунта при горном способе производства работ. Способы разработки определяются свойствами грунта: твёрдость, вязкозть, упругость, трещиноватость прочность. способ разработки вручную: применяют лопаты и кирки. Для механизации разработки грунтов применяют пневматические лопаты и отбойные молотки. механизированным (комбайновым) способом: комбайны – это самоходные машины на гусеничном ходу, имеющие для отбойки грунта стреловидный рабочий орган с резцами, армированными твёрдыми сплавами, и устройства для погрузки грунта нагребающими лопатами (лапами) на скребковый транспортёр. Они могут разрабатывать только мягкие слабые грунты. буровзрывные работы: это комплекс буровых и взрывных работ, выполняемых с целью безопасного и рационального разрушения горных пород энергией взрыва. Последовательность: установка бурового инструмента, бурение шпуров-скважин, заряжение и взрывание шпуров, проветривание забоя, уборка взорванного грунта, установка временной крепи. Шпуры: врубовые, отбойные(вспомогательные), контурные подошвенные. Бурение шпуров: горные свёрла пневматические перфораторы тяжёлые бурильные машины (на буровых подмостях, буровых рамах) самоходные буровые установки Погрузка грунта (40% проходческого цикла) осуществляется с помощью погрузочных машин, тоннельных экскаваторов. Транспортировка осуществляется с помощью: рельсовых транспортёров, безрельсового транспорта (автомобильный), Классификация обделок. Материалы обделок тоннелей. Тоннельная обделка – основная несущая конструкция тоннеля, воспринимающая воздействия со стороны горного массива (горное и гидростатическое давление, сейсмические воздействия, агрессивность среды и т.п.), а также воздействия изнутри тоннеля (нагрузка от транспортных средств, инженерных систем, аварийные воздействия и т.д.). При строительстве тоннелей имеется две основных разновидности тоннельной обделки: сборная и монолитная (при щитовом способе). Монолитные: бетонные конструкции выполняются из бетонов различной прочности, которая характеризуется классом или маркой бетона. железобетонные конструкции дополнительно усилены стержневой или дискретной (фибра) арматурой. Сборная тоннельная обделка: из железобетонных блоков (в большинстве случаев). Точность геометрических размеров при изготовлении таких обделок ±1 мм. металлические обделки (чугунная, стальная), сталежелезобетонные – дорогостоящие и применяются при строительстве тоннелей в особо тяжелых условиях – в сильно обводненных неустойчивых грунтах. чугунные железобетонные: тюбинговые (тюбинг – более мощный блок с ребрами жёсткости) блочные (нет жёстких соединений между элементами): сплошного сечения ребристого В зависимости от инженерно-геологических условий: В монолитных, невыветриваемых и неводоносных крепких скальных грунтах (f >10) обделка не требуется. Скальные (f=6-8) - обделка со сводом очерченным по радиусу и с прямым вертикальными стенками. Полускальные (f=4-6, 4-8 - двухпутный) - эллиптическая с прямыми стенами и объемистым сводом. Связные и пластичные (f =2,5-4) - эллиптическая с внутренним очертанием по пятицентровой коробой кривой. Рыхлые и сыпучие (f=0,8-2,5) - эллиптическая с внутренним очертанием по трёхцентровой коробовой кривой. Горное давление. Гипотеза полного веса столба грунта. Горное давление – объёмная сила, которая вызывает деформации обнажений грунтов в выработках, в следствие изменения их первоначального напряжённого состояния. Г  орное давление нарастает постепенно. Характер его развития зависит от свойства грунтов.Участок АВ соответствует деформированию грунтов без разрыва сплошности. ВС – процессу трещинооброзования СD - если трещинооброзование приостановлено, горное давление становится постоянным. Различают неустановившееся и первичное горное давление, развивающееся за промежуток времени t1. Первые методы расчёта горного давления основывались на гипотезе, согласно которой горное давление вызвано весом определённого объёма пород, приуроченного к данному несущему элементу. Наибольшую известность получила гипотеза русского учёного М. М. Протодьяконова (1907), в которой указанный объём представляет собой параболический свод. Этот свод – новое состояние устойчивости. Его высота (b) связана с полупролётом выработки (а) соотношением: b=а/f, где f — тангенс угла внутреннего трения для сыпучих пород или коэффициент крепости для связных. Расчёты по этой формуле для глубин до 200-300 м (при отсутствии тектонических напряжений) дают практически приемлемые результаты.   ,Н- глубина заложения тоннеля  .Гипотеза М.М.Протодьяконова. Коэффициент крепости грунтов. М.М. Протодьяконовым предложена теория для широкого диапазона грунтов — от слабых до крепких скальных. В качестве объединяющей их характеристики в этой теории принят коэффициент f крепости, являющийся кажущимся коэффициентом трения, т.е. тангенсом угла φ внутреннего трения, определенного с учетом сцепления между частицами породы. Кажущийся коэффициент трения равен отношению касательного τ и нормального σ напряжений на контакте между частицами породы в момент предельного равновесия, т.е.  где φ — действительный угол внутреннего трения породы. В скальных породах истинное сцепление с определяется силами молекулярного сцепления. В этом случае проф. М.М. Протодьяконов рекомендует определять коэффициент крепости породы в зависимости от ее кубиковой прочности R (кгс/см2) на раздробление: f =  Сводообразование – грунт осыпается по своему естественному своду. Условие применения: Глубина заложения больше 2 высот свода.   Пролет свода естественного равновесия определяется по формуле:  Высота свода определяется по формуле:  Нормативное вертикальное горное давление определяется по формуле:  Нормативное горизонтальное горное давление определяется по формуле:  Прогноз устойчивости выработки по условию вывалообразования. Наиболее наглядная форма потери устойчивости - это вывалообразования (под действием собственного веса блоков грунта, отделившихся от массива). В призабойной части выработки именно вывалообразование (обрушение пород) является основным геомеханическим процессом, вызывающим нарушение ее эксплуатационного состояния. Вывал удерживается сцеплением, а вес грунта давит вниз. Основными направлениями в предупреждении вывалообразований являются: выбор постоянной крепи с учетом удельной нагрузки от вывала; снижение степени деформаций окружающего выработку массива, приводящие к пучению пород почвы выработки; снижение степени радиального трещинообразования. Таким образом, для предупреждения вывалообразований работы по укреплению пород целесообразно проводить при смещениях породных обнажений до 170-270 мм на глубину 1,5 м и более. Это позволит предупредить развитие радиальных трещин, образуя слой омоноличенной породы (в пределах приконтурной зоны массива) толщиной 16-20 см. Возводимая в качестве временной набрызгбетонная крепь предупреждает вывалообразования в призабойной части выработки. Рациональным для временной крепи является набрызгбетонная смесь с добавлением в качестве ускорителя схватывания фтористого натрия в количестве 4 %. Этот состав смеси обеспечивает раннюю прочность 0,75 МПа через 1 час после возведения крепи, при этом достигается высокая механизации работ. Набрызгбетонное покрытие породных обнажений для предупреждения вывалообразований целесообразно применять в породах прочностью на сжатие 40…80 МПа, различной степени нарушенности. Основные гипотезы горного давления. Горное давление – объёмная сила, которая вызывает деформации обнажений грунтов в выработках, в следствие изменения их первоначального напряжённого состояния. Гипотезы горного давления: Гипотеза полного веса столба пород и его части; Гипотеза М.М.Протодьяконова (гипотеза сводообразования) Гипотезы основанные на положениях механики сплошной среды. Гипотеза полного веса столба пород. На подземное сооружение действие расположенного над тоннелем столба грунтов. Область применения: - для малых глубинн, - в сыпучих, - слабых грунтах. ,Н- глубина заложения тоннеля .М.М. Протодьяконовым предложена теория для широкого диапазона грунтов — от слабых до крепких скальных. В качестве объединяющей их характеристики в этой теории принят коэффициент f крепости, являющийся кажущимся коэффициентом трения, т.е. тангенсом угла φ внутреннего трения, определенного с учетом сцепления между частицами породы. Кажущийся коэффициент трения равен отношению касательного τ и нормального σ напряжений на контакте между частицами породы в момент предельного равновесия, т.е. где φ — действительный угол внутреннего трения породы. В скальных породах истинное сцепление с определяется силами молекулярного сцепления. В этом случае проф. М.М. Протодьяконов рекомендует определять коэффициент крепости породы в зависимости от ее кубиковой прочности R (кгс/см2) на раздробление: f = Сводообразование – грунт осыпается по своему естественному своду. Условие применения: Глубина заложения больше 2 высот свода. Пролет свода естественного равновесия определяется по формуле: Высота свода определяется по формуле: Нормативное вертикальное горное давление определяется по формуле: Нормативное горизонтальное горное давление определяется по формуле: Гипотеза свода давления - исследующая механизм образования устойчивых сводчатых обнажений. Гипотеза свода обрушения – которые устанавливают конфигурацию и размеры отделяющегося от массива объёма породы. Расчет обделок по схеме стержневой конструкции в упругой среде (метод Метрогипротранса). Алгоритм расчета. Расчетная схема представляет собой многоугольник, описанный по центрам тяжести сечений элементов. Упругие пружины в узлах многоугольника характеризуют взаимодействие конструкции с грунтом (грунтовая среда упругая). Для расчета системы на ЭВМ: Определяем координаты узлов (из расчетной схемы). Если нет обратного свода, один из стержней пяты закрепляем от перемещений по оси Х, что соответствует силам трения, действующим по пяте обделки; Определяем вертикальные и горизонтальные нагрузки. Вертикальное горное давление принимаем равномерно распределенным по пролету выработки и определяем, как вес грунта при сводообразовании.. .  Определение нормативных и расчетных нагрузок Величину горного давления в зависимости от коэффициента крепости принимаем в соответствии с теорией сводообразованияМ.М. Протодьяконова. Пролет свода естественного равновесия определяется по формуле:  Высота свода определяется по формуле: Нормативное вертикальное горное давление определяется по формуле: Нормативное горизонтальное горное давление определяется по формуле: Собственный вес обделки определится по формуле:  где G-вес сводчатой части обделки;  Определим расчётные нагрузки посредством умножения нормативных на коэффициенты перегрузки:   Коэффициент упругого отпора в сводчатой части выработки:  Внутренние обустройства железнодорожных тоннелей. Ниши, камеры, водоотводные устройства. Для обеспечения безопасности обслуживающего персонала и ремонтных бригад во время прохождения поезда в железнодорожном тоннеле устраиваются ниши. Ширина ниши – 2 метра, Глубина – 1 метр, Высота в шелыге – 2 метра. Ниши располагают в шахматном порядке через 60 метров на каждой стороне тоннеля. В тоннелях кругового очертания вместо ниш по всей длине тоннеля устраивается площадка на высоте до 1 метра от уровня грунтовых вод, шириной 0,7 метра. Для хранения ремонтного оборудования и укрытия дрезины через каждые 300 метров по обеим сторонам железнодорожного тоннеля вместо ниш устраиваются камеры. Ширина камеры 4 метра, Глубина 2,5 метра, Высота в шелыге – 2,8 метра. При длине тоннеля 300-400 метра устраивается одна камера в середине тоннеля. В тоннеле длиной более 3 км предусматривают 1-2 камеры большей ширины (до 6 метров). Железнодорожные тоннели протяженностью более 3000 м и автодорожные — более 1500 м должны иметь дополнительные эвакуационные выходы в рядом расположенные тоннели или в специально сооружаемые штольни безопасности, имеющие выходы на поверхность, либо иметь камеры безопасности (в автодорожных тоннелях), оборудованные герметичными затворами и местной вентиляцией. Расстояние между эвакуационными выходами (сбойками) должно быть не более 300 м, а между камерами безопасности — не более 600 м. Водоотвод. В горных тоннелях, имеющих одно- или двускатный продольный профиль выпуклого очертания, отвод воды осуществляется самотеком. Вода стекает к лоткам по выравнивающему бетонному слою, уложенному с поперечным уклоном 2%. |