Конструктивные и технологические решения подземного сооружения перегонных тоннелей

Для сооружения перегонных тоннелей при строительстве Московского метрополитена применяются следующие методы проходки:

Щитовой метод проходки (применение ТПМК).

ЩИТОВАЯ ПРОХОДКА — способ строительства тоннелей либо шахтных горных выработок с помощью проходческого щита. Применяется, как правило, при проведении в сложных горно-геологических условиях горизонтальных, слабо наклонных и реже вертикальных выработок. Щитовой проходке могут предшествовать подготовительные работы, основное содержание которых — сооружение монтажных камер, монтаж в них проходческих щитов и ввод щитов в забой проводимой выработки. В случаях, когда щитовая проходка тоннеля начинается с открытого портала, а также при тоннелях мелкого заложения монтажную камеру не сооружают, а щит монтируют в котловане непосредственно у портала. При щитовой проходке коллекторных тоннелей монтажной камерой в большинстве случаев служит нижняя часть вертикального ствола, пройденного до отметки обратного свода будущего тоннеля.

Щитовая проходка осуществляется как с применением механизированных щитов (разработка забоя производится специальным исполнительным органом), так и немеханизированных (отбойными молотками и ручным инструментом). Разрушение встречающихся на трассе участков крепких пород производят буровзрывным способом. Разрушенная порода специальными погрузчиками, как правило, грузится на призабойный перегружатель и с его помощью направляется в вагонетки, которые электровозами доставляются к стволу и выдаются на поверхность для разгрузки.

Порода в забое разрабатывается на длину заходки, равную, например, в тоннелях ширине кольца крепи (обделки). По мере разработки забоя щит передвигают с целью предохранения обнажённой кровли и боков выработки от обрушения. После перемещения щита на величину заходки приступают к возведению крепи, как правило, состоящей из железобетонных блоков либо тюбингов. Находят применение и чугунные тюбинги, а также монолитная прессованная бетонная обделка. Монтаж сборной крепи из железобетонных или чугунных элементов осуществляют специальными щитовыми блокоукладчиками различных конструкций. После установки всех элементов крепи проходческий цикл повторяется. Заключительные операции щитовой проходки в тоннелях — чеканка швов между элементами обделки специальным гидроизоляционным составом, а также тампонаж закрепного пространства цементно-песчаным раствором.

При щитовой проходке в особо сложных горно-геологических условиях находят применение специальные способы закрепления пересекаемых пород непосредственно из забоя и через скважины, пробуриваемые с поверхности, — водопонижение, искусственное замораживание, кессон, химическое закрепление. При сооружении подводных тоннелей методом щитовой проходки иногда используют щиты с закрытой призабойной частью, внедряемые в слабоустойчивый грунт путем вдавливания с частичным отбором грунта (либо без него).

БВР/механический способ разработки с использованием тюбингоукладчика.

Проходка перегонных и станционных тоннелей метрополитенов, соединительных веток и тоннелей другого назначения в крепких устойчивых грунтах с коэффициентом крепости 1,5 и выше (III и IV категорий по СНиП), а также в скальных грунтах, разрабатываемых буровзрывным способом, осуществляется в основном с раскрытием забоя на полное сечение с применением сборной обделки, собираемой специальным укладчиком непосредственно у забоя (в отдельных случаях могут быть применены монолитная бетонная или железобетонная обделки). Необходимыми для применения этого способа условиями являются: наличие кровле устойчивых пород достаточной мощности и отсутствие со стороны забоя сильного горного давления на крепь. Проходку в таких условиях можно вести способом сплошного и ступенчатого забоя, уступным способом, способом пилот-тоннеля.

Раскрытие забоя на полное сечение с одновременным возведением тоннельной обделки позволяет механизировать весь процесс сооружения тоннеля: применять высокопроизводительные механизмы для сбуривания забоя, погрузки и уборки грунта, использовать большегрузные вагонетки и электровозы или автомобильный транспорт, полностью механизировать процесс сборки обделки, параллельно с проходкой вести гидроизоляционные работы и подготовку тоннеля к монтажным работам. Все это позволяет повысить производительность труда на наиболее трудоемких процессах и ускорить строительство тоннелей. До начала проходки тоннеля раскрытием на полное сечение выполняют ряд подготовительных работ: сооружают камеру для размещения укладчика обделки, монтируют укладчик, сооружают технологический отход (участок тоннеля, где монтируют проходческое оборудование), прокладывают коммуникации для сжатого воздуха, воды, водоотлива, монтируют электрические кабели и устройства для электровозной откатки. Место расположения камеры для монтажа укладчика при закрытом способе работ выбирают вблизи шахтного ствола с учетом удобства транспортирования грунта и материалов. При закрытом способе работ на мелком заложении блокоукладчик монтируют в котловане станции, у места сопряжения его с тоннелем.

Альтернативные методы проходки.

К альтернативный способам можно отнести:

А. Открытый способ сооружения перегонных тоннелей (Цельносекционная обделка).

Для перегонных тоннелей, сооружаемых открытым способом, создана принципиально новая эффективная конструкция — цельносекционная обделка (ЦСО), представляющая собой замкнутую железобетонную раму. Каждый элемент ЦСО — готовый участок однопутного тоннеля длиной 1,5 м. Применение этой обделки обеспечивает повышение уровня заводской готовности конструкций, комплексную механизацию технологических процессов, снижение трудозатрат на монтаж в 3−4 раза, сокращение сроков строительства.

В Ташкенте успешно освоена индустриальная сейсмостойкая ЦСО, которую применили при сооружении открытого перегона Хамзы — Комсомольская. Постоянная работа по совершенствованию конструкции ЦСО позволила уже на 1-м участке Ташкентского метрополитена использовать ее при возведении притоннельных сооружений: санузлов, вентиляционных камер, водоотливных установок, зумпфов. Для их планировочного решения разработаны ЦСО, имеющие технологические проемы.

Разработанная Всесоюзным научно-исследовательским институтом транспортного строительства (ЦНИИС) совместно с Киевметростроем, Киевметропроектом и СКТБ Главтоннельстроя цельносекционная обделка с гидроизоляцией применяется при сооружении открытым способом тоннелей метрополитенов, а также в котлованах со свайным ограждением или откосами без пазух.

Гидроизоляция сборных железобетонных секций размером 453Ч5140 Ч 1500 мм выполняется на их наружной поверхности и торцах из гидростеклоизола марки «Т», наклеиваемого способом оплавления. Защита гидроизоляции выполняется из асбесто-цементных листов, наклеиваемых на коллоидном клее.

Гидроизоляцию швов между секциями в готовой обделке обеспечивают путем безмастичной склейки между собой выпусков гидростеклоизола, выведенных в чеканочную канавку, расположенную по внутреннему периметру одного из торцов секции.

Применение цельносекционной обделки с гидроизоляцией дает экономию 25 445 руб. В год на 1 комплект оснастки за счет механизации процесса нанесения гидроизоляции, позволившей уменьшить объем земляных работ на 15−20 тыс. мі на 1 км длины тоннеля и увеличить скорость сооружения тоннеля в 2 раза.

ЦСО с гидроизоляцией нашла применение и на Киевском метрополитене в сочетании с проходческим комплексом КМО2Ч5.

Киевметростроем, НИИЖБ Госстроя СССР, Киевметропроектом и рядом других организаций выполнен комплекс работ, направленный на определение возможности сооружения перегонных тоннелей без оклеечной гидроизоляции из водонепроницаемых блоков полной заводской готовности с герметизацией стыков бетоном или раствором НЦ изнутри или снаружи.

В результате выявлены отличительные свойства НЦ и бетона на его основе, среди которых наряду с высокой прочностью и способностью быстро набирать прочность особую ценность имеет высокая водонепроницаемость (в таких бетонах марка по водонепроницаемости достигается не ниже чем В12). Такие показатели позволяют отказаться от традиционной рулонной гидроизоляции и повысить эксплуатационную надежность сооружений.

Из трех апробированных вариантов стыка можно рекомендовать для внедрения (как наиболее простой, достаточно надежный и при необходимости легко поддающийся ремонту) стык с чеканочной канавкой с внутренней стороны тоннеля. Контакт между блоками можно обеспечить четырьмя стальными приваренными пластинами с закладными деталями. Чеканку швов рекомендуется выполнять с помощью НЦ спустя 2 недели после засыпки тоннеля.

Б. Сооружение обделки тоннелей из набрызг-бетона.

Применение набрызг-бетона — один из наиболее эффективных и экономичных способов возведения тоннельных обделок. Он обеспечивает значительную экономию средств, максимальную механизацию бетонирования, позволяет в процессе проходки быстро приспосабливаться к различным инженерно-геологическим условиям путем изменения толщины обделки (в сочетании с другими видами крепи — анкерами, металлическими сетками, арками). Применение набрызг-бетона возможно в широком диапазоне: от крепких скальных пород до слабых.

Обделки из набрызг-бетона, активно взаимодействуя с породой, резко ограничивают деформации контура выработки и обеспечивают совместную работу системы «обделка-порода». Это позволяет возводить конструкции из набрызг-бетона (с учетом омоноличенного слоя породы) толщиной приблизительно вдвое меньшей, чем при использовании монолитного бетона.