Способы щитовой проходки в различных геологических условиях
|
Подготовительные работы В состав подготовительных работ, выполняемых до основной проходки, обычно входит сооружение подходных выработок и щитовой камеры с последующей сборкой в ней щита в подземных условиях. Камеру для сборки щита располагают на трассе основного тоннеля и придают ей внутренние размеры, несколько превышающие габаритные очертания щита с учетом размещения монтажного оборудования. Такие камеры обычно используют как временные сооружения, за исключением совмещенных с основными сооружениями в тоннелях, например с вентиляционными. Высоту камер назначают на 0,40—0,75 м, а ширину — на 1,5 м больше диаметра щита. Длину камер определяют по длине тюбингоукладчика, который собирают в той же камере после выдвижения из нее щита. Пример щитовой камеры для сборки перегонного щита приведен на рис. IХ.1, а. Конструкция обделки ее аналогична тоннелю, сооружаемому горным способом. С торцов камеру ограничивают стенами с проемами для пропуска щита. Толщину стены назначают по условиям опирания на нее щитовых домкратов, но не менее 1,5 м. Толщину свода принимают с учетом подвешивания к нему при сборке элементов щита весом до 2—3 г. Подобную камеру можно выполнить из тюбингов, что значительно сократит объем выработки. При заложении щитовых камер частично в крепких породах, прочность которых достаточна для воспринятия давления пят свода, конструкцию замкнутой камеры можно заменить незамкнутой обделкой, т. е. полукамерой (рис. IX.1,б). которая состоит из свода, опирающегося пятами непосредственно на породу. Торцовые стены полукамеры на участках крепких пород могут быть заменены железобетонной подушкой толщиной в 30—40 см, Нижнюю часть поперечного сечения полукамеры оставляют без обделки. Во избежание скалывания породы под пятами свода сохраняют берму шириной 0,5 м, соответственно увеличивая пролет свода. Промежуточной конструкцией между камерой и полукамерой для случая расположения слоя крепкой породы внизу разрабатываемого поперечного сечения может быть незамкнутая камера с опущенными до коренных пород пятами.  Внизу камеры устраивают бетонную опорную подушку с утопленными в нее рельсами, необходимыми для обеспечения правильной сборки щита и его последующего выдвижения. Для сборки щитов камеры нужны подъемные приспособления: две лебедки (3- и 5-тонные), домкраты, цепи, тросы, блоки, проушины, подвески, болты с ушками, натяжные гайки, клиновые прокладки в достаточном количестве для сборки щита и тележки. Для крепления талей на верху камеры помещают либо продольные мощные балки, либо отдельные проушины, обеспечивающие подъем элемента щита и помещение его в требуемое положение в пределах габаритных размеров щита (см. рис. IX.1), Впереди камеры в верхней части забоя помещают одну лебедку в тупиковой штольне, вторую устанавливают внизу, в подходной выработке. Элементы щита подают в камеру на платформенных вагонетках в порядке, соответствующем монтажному графику. В случае ведения работ через ствол шахты необходимо снять подъемную клеть, установить 5-тонную лебедку и проверить все сопряжения подземных выработок на пропуск наибольшего по размерам элемента щитового оборудования. Для подачи деталей необходимо подготовить около 20 вагонеток грузоподъемностью 3—4 т. Щиты и тюбингоукладчики собирают по составленному графику работ с учетом особенностей конструкции. Для производства работ необходимо все операции разбить по видам оборудования (основные части щита, механическое оборудование, гидравлическое оборудование, электрооборудование). Кроме того, необходимо обеспечить бригады контрольными сменными заданиями, тщательно подготовить весь процесс сборки и обеспечить место работ надежным и бесперебойным водоотливом. После сборки щит испытывают, подвигая его в пределах камеры несколькими нижними домкратами. При этом проверяют действия домкратов, гидравлической сети и пускорегулирующей аппаратуры. Для упора домкратов при выдвижении щита из камеры обычно используют тюбинги или блоки обделки, укладываемые теми же монтажными приспособлениями, что и при проходке самого тоннеля. После выдвижения щита из камеры собирают и испытывают тележку эректора. При повторном использовании камеры для сборки щита противоположного направления уложенную обделку разбирают. При ведении работ со стороны открытого портала щит собирают в открытой выемке или в котловане. Для последующего перемещения щита необходимо иметь специальные железобетонные упоры или использовать для этой цели массив породы. Помимо обычного способа сборки щитов непосредственно на месте, могут быть применены другие. Щиты могут быть опущены на проектную отметку с поверхности земли в собранном виде двумя способами: 1) вместе с камерой в виде кессонной секции и 2) в ствол шахты. Первый способ применен на строительстве московского метрополитена. Этот способ требует расположения кессонных секций непосредственно над трассой тоннеля и ввода в них предварительно собранных щитов (рис. IX.2,а).  Тоннельные секции опускают обычным кессонным способом с выдачей породы через наращиваемый ствол шахты и ее отвалом на потолок секции. После опускания кессона на проектную отметку щиты выдвигают на трассу через торцовые стены секции с предварительным шлюзованием тоннельной секции и примыкающего к ней ствола шахты при помощи съемной шлюзовой перегородки. Конструкцию стен для этой цели делают разборной из металлических балок и листов или из кирпича. Преимущество способа опускания — техническая возможность начала щитовых работ в требуемом месте, где по геологическим условиям нельзя соорудить щитовые камеры обычным способом, например, при проходке подводных тоннелей, где необходимо начинать работы в прибрежной зоне или с искусственно отсыпанных островов. Опуская собранные щиты в ствол шахты большого поперечного сечения (рис. IX.2, б), шахту проходят кессонным способом с выполнением ее ствола из железобетона или чугунных тюбингов. Внизу ствола делают бетонную подушку и упор для щита, а в местах выпуска щитов на трассу в конструкции обделки оставляют проемы, заделываемые разборной (обычно стальной) диафрагмой. В устье ствола закрепляют балки для приемной площадки, а также для установки воздухонепроницаемой перегородки и мощные балки для приема щитов перед их опусканием. Собственно опускание можно осуществить на винтовых домкратах (по аналогии с опусканием наплавных кессонов), на стальных канатах посредством лебедок и полиспастов или на понтоне в затопленном водой стволе шахты. Наиболее простым следует признать этот второй способ, при котором используют имеющиеся 10-тонные лебедки, служащие и для надвига щитов. Щит надвигают на два пакета мощных балок, подвешивают через полиспасты к неподвижным балкам, опертым посредством стоек и подкосов на стенки ствола. Подвесной полок с рельсами на нем укладывают на временные выдвижные балки, удаляемые из-под него перед опусканием щита. Для обеспечения правильного опускания щита в стволе укрепляют специальные направляющие. Щит выпускают под защитой временной шлюзовой перегородки. После передвижки щита и сооружения обделки на участке длиной около 30 м проходку временно прекращают до возведения в тоннеле постоянной шлюзовой перегородки. Для этого тщательно уплотняют лобовую часть щита и стравливают сжатый воздух. Таким образом в ствол можно последовательно опустить и вывести на трассу два щита, идущих в противоположные стороны. Щиты демонтируют, как правило, в тех же камерах; в устойчивых породах допускают выполнение этой работы под защитой временных устройств. Работы в забое немеханизированного щита Способы проходки щитом зависят от геологических и гидрогеологических условий трассы. Существует целый ряд рациональных приемов работ. В качестве общих положений могут быть даны следующие: проходка должна быть совершенно безопасной; качество, темпы и степень механизации работы должны быть высокими; организация работ должна обеспечить непрерывное уменьшение их стоимости. Для обеспечения безопасности необходимо правильно установить ограждение забоя требуемого типа, тщательно выполнять проходческие работы и наблюдать за состоянием забоя. Степень использования щита как орудия для проходки в породах всех категорий может быть различна. В некоторых случаях щит используют как подвижную крепь, позволяющую вести проходческие работы одновременно по всему поперечному сечению тоннеля благодаря наличию выдвижных платформ. В других же, наоборот, щит может быть единственным орудием при проходке как врезанием (частичным или полным), так и иными рассмотренными выше средствами механического воздействия. Организация работ в забое и последовательность выполнения процессов для пород различных групп приведены ниже. В крепких породах проходку щитом следует рассматривать как сочетание горнопроходческих операций, выполняемых в забое щита, с перемещением подвижной крепи, гарантирующей полную безопасность этих работ, и механизированного возведения тоннельной обделки. Как показал опыт строительства многих тоннелей, щитовая проходка тоннелей больших протяжений в крепких породах по сравнению с горными методами более безопасна и эффективна и позволяет широко применять механизацию наиболее трудоемких процессов. Исключением может быть лишь сооружение тоннелей в весьма крепких породах, где можно успешно применять и другие способы проходки. До подвижки щита необходимо перед ним разработать породу в объеме, достаточном для перемещения щита на ширину кольца тоннельной обделки. При проходке в крепких породах всем поперечным сечением щита и при их достаточном слое над щитом (более 2—3 м) можно одновременно разрабатывать породу по высоте всего забоя так, чтобы щит мог свободно перемещаться в освобожденное пространство. Этот рабочий процесс — есть сочетание горных приемов проходки, выполняемых из рабочих ячеек щита с перемещением подвижной крепи (щита). При проходке в крепких породах лишь частью поперечного сечения щита или при недостаточном слое этой породы над щитом (менее 2 м) нельзя одновременно разрабатывать на весь профиль. В этом случае необходимо вести частичную выработку забоя в отдельных ярусах щита. Основной и наиболее эффективный метод разработки крепких пород — взрывной в сочетании с механической погрузкой. Для предохранения аппаратуры щита от действия взрыва ячейки щита снабжают створчатыми ограждениями в виде стальных решеток или цепей из стальных прутьев. Такие ограждения, будучи шарнирными, предохраняют аппаратуру, смягчая силу удара кусков породы, и, кроме того, пропускают газ через щит. Делать для этой цели сплошные защитные щитки нецелесообразно, так как этим не достигается полностью поставленная цель. При ведении взрывных работ впереди щита необходимо соблюдать следующие основные правила: 1) взрывание шпуров необходимо вести ограниченными зарядами; 2) необходимо избегать сильных взрывов и предупреждать разлетание кусков породы, так как они могут погнуть или даже сломать отдельные части щита, в частности, гидро- и электроаппаратуру; 3) глубина и размещение шпуров, а также размер заряда зависят от характера проходимой породы; эти данные определяют расчетом и проверяют в начале работ на нескольких опытных заходках; 4) перед каждой подвижкой щита при небольшом слое крепкой породы над выработкой необходимо пробное бурение на верху забоя снизу вверх во избежание обвала из-за неожиданной встречи неустойчивой породы. Как правило, щитовую проходку следует вести при глухом забое, так как это позволяет наиболее полно использовать щит и уменьшить стоимость работ. Тем не менее могут быть случаи, требующие применения сквозной опережающей штольни. Штольня — весьма трудоемкий элемент проходки, она требует дополнительного времени, но создает ряд благоприятных условий для производства работ: 1) улучшает условия водоотлива при проходке под уклон; 2) улучшает естественную вентиляцию забоя; 3) обеспечивает безопасность работ наличием второго запасного выхода из забоя; 4) создает удобства погрузки породы впереди щита; 5) разделяет грузовые потоки породы и материалов; 6) при наличии опережающей штольни возможна укладка бетонной направляющей подушки под щит, что иногда применяют для обеспечения щиту правильного положения в плане и профиле и его предохранения от повреждений и износа. Предохранение щита от поворотов имеет большое значение при проходке тоннелей больших поперечных сечений, внутри которых необходимо вести в дальнейшем монтаж конструкций, а также для правильного распределения усилий щитовых домкратов на тюбинги. Кроме того, вследствие поворота щита создается неудобство работы в его ячейках. По условиям прочности толщина бетонного лотка должна быть не менее 20—25 см, причем для уменьшения силы трения применяют также рельсовые направляющие. Советской практикой тоннелестроения выработаны два основных способа проходческих работ в крепких породах — разработка плоским забоем и уступчатым.  При разработке плоским забоем (рис. IX.3,а), применяемым как при глухом, так и сквозном забое, породу взрывают таким образом, чтобы образовывать вертикальный направляющий лоток для спуска по нему породы при дальнейшей разработке. Вначале разрабатывают среднюю часть забоя — ядро, затем верхнюю и боковые части, прилегающие к ядру, и, наконец, низ. Шпуры бурят параллельно с последующим заряжанием всего комплекта, а взрывают в порядке требуемой последовательности с интервалами 2, 4, 6 сек при помощи электродетонаторов замедленного действия. Породу убирают механическими перегружателями, вмонтированными в нижнюю ячейку щита, или породоуборочными машинами. Весьма целесообразно расположение шпуров в забое по 3—4 концентрическим окружностям (рис. IX.3, б), так как при этом последовательно образуются дополнительные боковые поверхности, способствующие равномерному отрыву породы от массива при уменьшенных затратах взрывчатых веществ. При разработке уступчатым забоем, применяемым при наличии передовой штольни, работу начинают с проходки пространства в нижней части поперечного сечения забоя — камеры. Эта камера опережает разработку верхней части забоя, и ее используют для размещения взорванной породы среднего и верхнего уступов, разрабатываемых последовательно. Шпуры бурят во всех уступах один-два бурильщика, заряжает и взрывает взрывник с помощником. После уборки породы, полученной от разработки камеры, взрывают шпуры среднего и верхнего уступов. При уборке взорванной породы подчищают верхнюю и боковые части профиля выработки, а по окончании уборки — подчищают остальную часть профиля. Такой порядок работ возможен лишь в породах, в которых можно оставлять без крепления обнаженную нижнюю поверхность нависающего уступа; например, в крепких карбонных глинах и известняках. Породу убирают либо устройствами, подхватывающими породу (поперечные транспортеры), либо механическими грузчиками с забирающим аппаратом. Основные правила безопасности при проходке в крепких породах сводятся к ограждению людей от падающей породы, а также к обеспечению вентиляции после взрыва. Рациональные приемы полной механизации щитовой проходки в мягких породах (глинах) обычно применимы при сооружении тоннелей большого протяжения в аналогичных условиях. При работах щитом обычного открытого типа в мягких породах необходимо проявлять особую тщательность; помимо разработки забой необходимо крепить. Мягкую глину разрабатывают пневматическими лопатами на глубину, соответствующую величине передвижки щита. Меньшая глубина заходки вызывает излишний расход времени и материалов на крепление забоя и кровли. При разработке глины забой крепят системой горизонтально расположенных деревянных ограждений (обычно досок), прижимаемых к забою через брусья забойными домкратами. Для удобства работ брусья составляют из двух отрезков (по числу забойных домкратов, располагаемых по высоте ячейки). Кровлю выработки перекрывают деревянной или стальной крепью, заводимой за щит или располагаемой на специальной кружальной арке в ножевой части щита.  Обычный способ работ заключается в том, что забой и кровлю тщательно закрепляют (рис. IX.4,а). Затем разрабатывают породу в каждой ячейке с постепенным снятием нескольких забойных досок и выемкой породы на глубину, соответствующую ширине кольца тоннельной обделки. Доски, расположенные ниже, оставляют прижатыми к забою; одновременно продвигают вперед ограждение кровли. Снятые доски заводят в новое положение и прижимают к забою забойными домкратами или дополнительными распорками. По мере разработки выдвигают вспомогательные платформы. С такой последовательностью снимают доски, разрабатывают породу и перекрепляют уступами сверху вниз. После выполнения всех проходческих работ выдвижные платформы оттягивают, а забойные домкраты оставляют в положении рабочего хода. При подвижке щита происходит принудительное возвращение выдвинутых плунжеров забойных домкратов за счет разности сил щитовых и забойных домкратов. Ограждение кровли остается ненодвижным, так как щит надвигается на него при перемещении. Породу убирают одновременно во всех ярусах щита по направляющим лоткам. При проходке в мягких, но устойчивых глинах разработка породы может быть видоизменена с целью большего использования силы щитовых домкратов за счет срезания породы по контуру щита на толщину, зависящую от силы щитовых домкратов. Можно также разрабатывать при помощи механических скребков. В этом случае в каждой рабочей ячейке применяют несложное приспособление в виде узкой стальной полосы, изогнутой по дуге круга и заостренной с одной стороны. Полосу снабжают двумя рукоятками: одной для прижатия скребка усилием рабочего к забою, а другой для подвешивания к тросу. Посредством небольшой (1,5 квт) электрической лебедки, помещаемой в ячейке щита, осуществляют рабочее перемещение скребков; кнопочное управление лебедкой помещают в рукоятке. Глину разрабатывают, срезая слой толщиной до 20 см при перемещении скребка снизу вверх. Срезая породу вертикальными полосами, постепенно разрабатывают весь забой в каждой ячейке. Выдвижные платформы щита при этом должны быть постоянно прижаты к забою, а промежутки между ними перекрыты стальными фартуками для обеспечения независимости и безопасности работ во всех ячейках щита. Разработанную породу перемещают через ячейки щита и сбрасывают вниз по направляющим лоткам на транспортные средства. Проходка в неустойчивых породах обычными щитами сложна и требует особой тщательности и внимания при ведении работ. Малейший выпуск породы может привести к тяжелым последствиям, если вовремя не приостановить начавшегося перемещения породы (специальные способы ограждения с применением рассекающих перегородок и виброкрепи). Применяемые в отдельных случаях работы открытым щитом, как правило, ведут под защитой ножевой части щита. Проходку ведут глухим забоем, закрепляемым системой горизонтальных ограждений (досок) и вертикальных (брусьев, поддерживаемых забойными домкратами). При проходке в водоносных неустойчивых породах необходимо либо искусственное водопонижение, либо применение сжатого воздуха, назначение которого сводится к тому, чтобы отжать от породы свободную воду и осушить забой на некотором расстоянии впереди щита. При проходке под сжатым воздухом нижнюю часть забоя (приблизительно на высоте 1/3 диаметра щита) ограждают сплошными стальными листами с отверстиями для выпуска породы. Ограждением такого типа обеспечивают устойчивость наиболее подвижной части породы, не осушенной сжатым воздухом (рис. XI.4, б). Кровля и бока выработки находятся под защитой ножевой части щита. Для обеспечения устойчивости забоя применяют забивную металлическую крепь в отдельных ярусах щита. Породу разрабатывают небольшими заходками на длину в 0,15—0,25 м (в зависимости от ее состояния) с одновременной перекидкой в вертикальные лотки. Работы ведут последовательно, начиная с верхнего яруса и одновременно во всех ячейках данного яруса. После окончания проходки на величину 0,15—0,25 м по всей площади забоя передвигают щит на эту величину. После продвижения щита вперед на всю ширину кольца обделки (на что требуется от трех до четырех частных передвижек) укладывают кольцо обделки, оканчивая на этом цикл проходческих работ. Забой закрепляют согласно правилам безопасности по одной доске с последовательным ее перемещением на 0,25 м. При этом устанавливают последовательно укорачиваемые вертикальные брусья и перекрепляют их на систему забойных и вспомогательных домкратов. Такой способ проходки имеет следующие недостатки: 1) кустарность приемов работ, требующих высокой квалификации проходчиков и больших затрат времени на вспомогательные операции; 2) отсутствие элементов механизации в процессе разработки и крепления; 3) недостаточность темпов работ ввиду необходимости вести разработку небольшими заходками. В особых случаях применяют дополнительное ограждение в каждой ячейке в виде двух стальных диафрагм, одну из которых помещают на верху ячейки с передней стороны опорного кольца; а другую внизу с противоположной его стороны. Таким образом, передняя диафрагма не доходит до низа ячейки на 0,9—1,0 м, а другая возвышается над полом ячейки на 1,0—1,1 м, т. е. на 0,1 м выше нижнего края передней. В случае прорыва разжиженной породы через забойное ограждение дальнейшего распространения прорыва и затопления тоннеля не произойдет, так как жидкость, поднявшаяся до уровня нижнего края передней диафрагмы, дальше подняться не может вследствие противодавления сжатого воздуха (гидравлический запор). Очевидно, что такое ограждение является лишь аварийным. В качестве дополнительных средств применяют также ограждение в виде секторных затворов. Секторный затвор, помещенный в каждой ячейке, представляет собой как бы вращающуюся дверь, имеющую форму сегмента цилиндра. Это устройство, поднятое в верхнее положение, обычно находится в неустойчивом равновесии. В случае необходимости закрыть ячейку, рабочий приводит в действие специальное устройство, благодаря чему дверь закрывается под действием собственного веса. Такое устройство, будучи противоаварийным, имеет следующие недостатки: невозможно закрыть дверь в случае попадания камня или какого-либо твердого предмета; стесненность фронта работ; необходимость применения обычного ограждения забоя. Аварийные ограждения обоих типов широко применяли в зарубежной практике щитовой проходки в неустойчивых водоносных породах, но признать их совершенными по указанным выше причинам все же нельзя. Следует предельно механизировать разработку и крепление забоя, превращая пассивное ограждение в активный агрегат. Методы ведения работ в щите при проходке в смешанных породах зависят от характера этих пород. В отдельных ярусах щита могут производиться работы, специфичные для данной категории породы. Смешанные крепкие породы особых затруднений для проходки не представляют. Наоборот: большие трудности представляют смешанные породы при частичных включениях неустойчивых пород.  В качестве примера рассмотрим проходку щитом (рис. IX.5, а) тоннеля большого поперечного сечения в смешанных породах — карбонных глинах, известняке и юрской глине. Более рациональной следует признать работу, выполняемую последовательно в нижнем, среднем и, наконец, в верхнем ярусах щита. Карбонную глину разрабатывают внизу щита отбойными молотками. Одновременно бурят шпуры в известняке в пределах второго яруса и подрабатывают нижнюю часть четвертого яруса в юрской глине для возможности выдвижения платформ щита. После выдвижения платформ заряжают шпуры и взрывают известняк, а после вентиляции подчищают профиль выработки. Породу вывозят по передовой штольне или по готовому тоннелю. Затем передвигают щит, одновременно разрабатывая забой в пределах верхнего яруса. Для этого по контуру щита и против перегородок предварительно подрабатывают породу, убирают лобовую крепь и платформы в боковых ячейках. В средних ячейках забой оставляют закрепленным на забойных домкратах. После такой подготовки передвигают щит. В боковых ячейках юрскую глину срезают ножевой частью щита с последующей разработкой отбойными молотками, в средних участках породу разрабатывают после передвижки щита при закрепленном забое. При этом способе верхняя часть забоя всегда находится под защитой ножевой части щита, что позволяет вести работы без ограждения кровли выработки. Это обстоятельство увеличивает безопасность и темпы проходки. Проходку в смешанных породах можно осуществить полущитом (рис. IX. 5,б). При расположении мягкой породы в верхней части забоя и крепкой в нижней для данного способа характерной будет проходка наиболее ответственной части профиля под защитой стальной конструкции-полущита, а нижней под защитой полущита или сооруженной обделки. При этом нижнюю часть разрабатывают как открытую скальную выемку. Забой крепят и разрабатывают в верхней половине обычным способом. Для спуска породы в средней части естественного основания разрабатывают наклонную траншею. Параллельно с проходкой полущитом бурят шпуры в нижнем полусечении, после чего всю бригаду удаляют и осуществляют заряжание, взрыв и вентиляцию; продолжают проходческие работы и подготавливают основание для последующей передвижки полущита. Подготовка заключается в тщательной подборке основания под полущит в пределах ножевой части с укладкой стальных опорных плит и катков, переносимых с задней стороны опорной части полущита. Одновременно с разработкой породы в пределах полущита убирают взорванную породу в средней части и очищают профиль для укладки тюбингов в нижнем полусечении забоя. Погружают породу при помощи механических перегружателей с забирающим аппаратом. |
