XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

По степени механизации горные способы проходки можно условно разделить на 3 группы: ручной, буровзрывной, с использованием средств механизации. Как правило, все они так или иначе дополняют друг друга в зависимости от особенностей реализуемого проекта.

Ручной способ

Разработка ведется с помощью отбойных молотков, кирок, лопат и тому подобных инструментов. Применяется преимущественно в слабых породах.

Главным недостатком является неполнота использования проходческого оборудования, увеличение доли ручного труда и низкая скорость проходки.

Буровзрывной способ

Забой обуривается скважинами (шпурами), в которые закладываются взрывчатые вещества, разрушающие породу. Применяется в скальных и полускальных породах. Обеспечивает высокую производительность труда и скорость проходки, однако взрывная волна нарушает целостность окружающего породного массива, увеличивает переборы, неровности контура выработки и объем разрабатываемой породы. [2 §51]

Способ проходки с помощью проходческих комбайнов

Разработка ведется с использованием самоходных проходческих комбайнов на гусеничном ходу. Применяется в породах средней крепости.

По последовательности проходки горной выработки и особенностями устройства тоннельной конструкции в слабых неустойчивых грунтах и полускальных породах горные способы строительства тоннелей делятся на 4 основные группы: способ полного профиля, способ опертого свода, способ опорного ядра и способ опорного ядра с податливой оболочкой.

Способ полного профиля (рис.1)

Впервые этот способ был применен столетие назад при строительстве тоннелей в Австрии в 1827 году, поэтому зачастую его называют «австрийским». Применяется в слабых неводоносных грунтах, когда невозможно применение механизации и не требуются взрывные работы. При данном способе разработка сечения тоннеля идет в строго установленной последовательности. Благодаря устройству временной (деревянной) крепи удается избежать обрушения разработанной породы.

Трасса тоннеля на всей своей протяженности разбивается на несколько участков (заходок), в пределах которых последовательно выполняются работы по выемке грунта, возведению временной крепи и бетонированию обделки снизу-вверх. Преимуществом способа является высокие темпы строительства за счет широкого фронта работ.  К недостаткам можно отнести большой объем крепежного лесоматериала и сильные деформации всей системы деревянной крепи, приводящие к неизбежным осадкам кровли выработки. В связи с этим австрийский способ запрещено применять в городских условиях, где осадка земной поверхности должна быть минимальной.

1 – марчеваны; 2 – филаты; 3 – клинья; 4 – верхняк; 5 – стойки дверных окладов; 6 – лежни; 7 – лонгарины; 8 – бонтины; 9 – штендеры; 10 – рошпаны.

Рисунок 1 – Конструкция деревянной крепи в слабых пучинистых местах

Способ опертого свода (рис.2)

Впервые был внедрен на сооружении судоходного тоннеля в Бельгии в 1828 году, поэтому нередко называется «бельгийским». В практике подземного строительства используется чаще всего в породах средней крепости. При данном способе освобождается верхняя часть выработки (калотта), затем сооружается свод тоннеля, под прикрытием которого разрабатывается нижняя часть (штросса) и возводятся стены.

Как и в «австрийском» методе, трасса тоннеля разбивается на небольшие (до 6,5 м) участки (заходки), в пределах которых ведется разработка грунта и сооружается обделка. На первом этапе производится проходка направляющей штольни (горизонтальной подземной выработки), затем – раскрытие калотты и устройство бетонного свода, опирающегося на породу в средней части сечения (ядре) выработки. Раскрытие калотты сопровождается применением сложных конструкций деревянной крепи, которая удерживает всю площадь свода до возведения бетонной обделки.

Основным достоинством способа опертого свода является обеспечение безопасности ведения проходческих работ при разработке нижней части выработки под защитой уже возведенного в калотте верхнего свода.

Недостаток такого способа заключается в сложности подводки стен под пяты свода, что требует выполнения трудоемких ручных работ. [5. Стр. 162-163]

Рисунок 2 – Технологическая последовательность раскрытия сечения тоннеля способом опертого свода

Способ опорного ядра (рис.3)

Один из старейших в тоннелестроении – применяется в наиболее слабых породах (глинах, супесях, слабых известняках и др.) с 1803 года. Нередко его называют «германским». Суть способа заключается в поэтапной разработке породы по контуру выработки, при этом временная крепь опирается на ненарушенный грунтовый массив в средней части сечения тоннеля (ядре). Обделка тоннеля сооружается снизу-вверх в несколько этапов. После завершения работ по устройству обделки и под ее защитой разрабатывается ядро и обратный свод (лотковая часть).

Достоинством способа является возможность быстрого возведения жесткого бетонного свода, что повышает безопасность и минимизирует осадки дневной поверхности.

Главный недостаток – трудоемкость и сложность устройства стен тоннеля.

Рисунок 3 – Технологическая последовательность раскрытия сечения тоннеля способом опорного ядра

Способ опорного ядра с податливой оболочкой

В современном тоннелестроении широко применяется способ опорного ядра с податливой оболочкой (НАТМ) или, как его часто называют, новоавстрийский способ. Он начал применяться в конце 1960-х годов при проходке тоннелей в слабых грунтах и породах средней крепости.

Раскрытие выработки проводится по частям, сначала по контуру выработки с установкой первичной обделки, состоящей из тонкого слоя набрызгбетона в сочетании с анкерами, металлической сеткой или арками. Такая податливая обделка хорошо деформируется, что позволяет снизить горное давление и осадки контура выработки. После разработки ядра сразу сооружается обратный свод, а затем возводится окончательная обделка из монолитного бетона или набрызгбетона.

Достоинства. НАТМ позволяет сооружать тоннели и подземные сооружения разной формы и протяженности в неблагоприятных инженерно-геологических условиях с минимальными осадками земной поверхности. Способ широко применяется при строительстве тоннелей во многих странах мира (Австрии, Германии, Японии, Италии и др.).

Недостаток – более затратный метод проходки.

Способы строительства тоннелей

Существует два типа – закрытый и открытый. Первый способ используют для прокладки проходов на большой глубине (более 20 метров), а также для тоннелей мелкого заложения. Открытые применяют при прокладке неглубоких ходов. Плюсом этого способа является более низкая стоимость, а минусом – необходимость отведения от места стройки находящихся в ее зоне коммуникаций и транспортных путей. [3. Стр. 3-4]

Закрытые способы прокладки тоннелей

Выбор способа, по которому будут строить тоннель, зависит от типа породы, которую нужно будет прорывать, и назначения объекта. Закрытые способы часто применяют при строительстве тоннеля метро и железнодорожных тоннелей. Грунты могут быть крепкие, мягкие, трещиноватые, обводненные.

При горном способе прокладки используются буровые и взрывные работы. Основным элементом проходки является заложение взрывчатого вещества и осуществление направленного взрыва. Обломки разрушенной породы удаляются из забоя на поверхность. Образующаяся полость сначала укрепляется, а затем осуществляется обделка. Используют этот способ в том случае, когда горные породы устойчивые и крепкие.

Комбайновый тип прокладки также основан на разрушении породы. Однако для этого используют специальную тоннеле проходческую технику. Это так называемые комбайны для рытья тоннелей. Так же, как и предыдущий, этот способ применяют в случае высокой и средней крепости пород.

Ново австрийский метод строительства туннелей применяется для мягких и трещиноватых пород. Основан на создании временных креплений за счет набрызгивания на поверхность породы бетона, а также укреплении анкерами. Это повышает устойчивость свода в зоне забоя. Что же касается постоянной обделки, то она может выполняться на удалении от места забоя, для чего используют механизмы высокой производительности.

Щитовой способ прокладки основан на использовании проходческого щита, которым выполняется прокладка тоннеля по всему сечению, после чего осуществляется обделка. Этот метод также применяется для рыхлых и трещиноватых пород. [1. Стр. 2]

При наличии высокой степени обводненности, неустойчивости грунтов и наличии агрессивных сред используют специальные методы проходки. Для этого может применяться закрепление специальным раствором, замораживание, водоотведение, работа с сжатым воздухом. Также могут быть использованы щитовые методы, дополненные активным пригрузом забоя.

Открытые способы прокладки тоннелей

Применение открытого способа строительства туннелей целесообразно при рытье проходов мелкого заложения. При этом используют следующие технологии:

Котлованный метод заключается в создании котлована на всю ширину и глубину строящегося объекта. Стены могут быть искусственно укреплены, либо соответствовать естественному залеганию пород. После обделки тоннеля котлован засыпают. Этот способ использовался при строительстве метро в Берлине. [8. Cтр. 307-308]

Щитовой способ строительства туннелей заключается в использовании прямоугольного щита для обделки.

Траншейный метод нередко применяют при прокладке пешеходных тоннелей. Он заключается в рытье котлована по частям.

Заключение: Рассмотрев различные способы прокладки и строительства тоннелей приходим к выводу, что каждый возводимый тоннель требует индивидуального подхода. Строительство каждого такого сооружения нуждается в проведении тщательных изысканий, и выбор способа его прокладки будет зависеть от огромного ряда факторов. Стоит учитывать характер грунтов и другие геологические характеристики, гидрогеологическая структура и климатические условия района, назначение тоннеля, его требуемая пропускная способность, сроки и условия строительства и многое другое. Например, в условиях приближенных к Курганской области наиболее подходящим является открытый способ строительства проходкой с помощью проходческих комбайнов.

Список используемой литературы:

Боровков, Ю. А. Основы горного дела / Ю. А. Боровков, В. П. Дробаденко, Д. Н. Ребриков. — 6-е изд., стер. — Санкт-Петербург : Лань, 2022. — 468 с. — ISBN 978-5-8114-9765-2. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/198620 (дата обращения: 20.12.2022). — Режим доступа: по подписке

2. Гречухин, В. А. Строительство мостов : учебное пособие / В. А. Гречухин. — Минск : БНТУ, 2017. — 96 с. — ISBN 978-985-583-087-1. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/248564 (дата обращения: 20.12.2022). — Режим доступа: по подписке.

3. Картопольцев, В. М. Тоннели : монография / В. М. Картопольцев, А. В. Картопольцев. — 2-е изд. — Томск : ТГАСУ, 2017. — 300 с. — ISBN 978-5-93057-729-7. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/139003 (дата обращения: 20.12.2022). — Режим доступа: по подписке.

Клевеко, В. И. Транспортные сооружения : учебное пособие / В. И. Клевеко, О. А. Шутова. — Пермь : ПНИПУ, 2016. — 204 с. — ISBN 978-5-398-01555-3. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/160436 (дата обращения: 20.12.2022). — Режим доступа: по подписке.

Основы горного дела : учебное пособие для вузов / О. С. Брюховецкий, С. В. Иляхин, А. П. Карпиков, В. П. Яшин. — 3-е изд., стер. — Санкт-Петербург : Лань, 2021. — 352 с. — ISBN 978-5-8114-8719-6. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/179609 (дата обращения: 20.12.2022). — Режим доступа: по подписке.

Першин, В.В. Основы горного дела (строительная геотехнология) : учебное пособие / В. В. Першин, М. Д. Войтов, А. Б. Сабанцев, П. М. Будников. — Кемерово : КузГТУ имени Т.Ф. Горбачева, 2013. — 118 с. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/69498 (дата обращения: 20.12.2022). — Режим доступа: по подписке

Прокопов, А.Ю.  Транспортные тоннели: учебное пособие / А.Ю.Прокопов, М.С.Плешко, М.В.Прокопова .— Москва.: Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте,2018. — 184 с. =
URL: http://umczdt.ru/books/1198/18720/ (дата обращения: 20.12.2022).— Режим доступа: по подписке.

Код для цитирования: Скопировать