Основные требования. Переходя к рассмотрению обделок перегонных тоннелей метрополитенов, сооружаемых закрытым и открытым способами, необходимо отметить, что проектные и строительные организации стремятся постоянно совершенствовать их в целях улучшения существующих и создания новых обделок тоннелей.
Основные требования при их сооружении — сокращение сроков строительства, экономия материалов, снижение трудозатрат, водонепроницаемость, надежность и высокое качество. Ниже рассмотрены конструкции тоннельных обделок.
Обделка из чугунных тюбингов. Впервые обделки из чугунных тюбингов наружным диаметром 6,0 м и шириной одиночного кольца 0,75 м были применены при строительстве второй очереди Московского метрополитена.
В последние годы институтом Метрогипротранс были спроектированы различные типы чугунных обделок наружным диаметром 6,0 и 5,5 м.
С целью более рационального использования свойств литого чугуна, уменьшения массы тюбингов и сокращения числа болтовых скреплений создана облегченная чугунная обделка перегонных тоннелей наружным диаметром 5,5 м с высотой бортов 150 мм (вместо 200 мм в ранее применявшихся тюбингах) и плоским железобетонным лотковым блоком с чугунной плитой.
Применение совершенных типов обделок из серого чугуна марки СЧ-21 позволило сократить расход чугуна с 9,5 т (при строительстве второй очереди Московского метрополитена) до 4,4 т на 1 м тоннеля. С целью уменьшения расхода чугуна была разработана конструкция унифицированной чугунной обделки с уменьшенными толщинами бортов, ребер и спинки из высокопрочного чугуна марки ВЧ-50-2.
В настоящее время для удобства и удешевления строительных работ в нижней части тюбинговой обделки устанавливают тюбинги чугунно-железобетонной комбинированной конструкции с плоским очертанием с внутренней стороны.
Тюбинги с плоской лотковой частью составлены из железобетонного несущего основания и внутренней чугунной противофильтрационной плиты, прочно соединенной с железобетонной частью.
Применяя соответствующие прокладки, можно составлять из обычных тюбингов обделки различных сечений (овальных и комбинированных) для притоннельных сооружений: насосных, вентиляционных установок и пр.
Сборная обделка из железобетонных блоков. Для замены чугунной обделки перегонных тоннелей закрытого способа работ в 1954 г. было начато внедрение различных типов конструкций из сборного железобетона с расчеканкой стыков расширяющимся водонепроницаемым цементом. К настоящему времени все разнообразие таких конструкций приведено к единой унифицированной сборной обделке из блоков ребристого и сплошного сечения с цилиндрическими стыками в продольных швах, с плоским элементом в лотке с двояко вогнутым замковым блоком. Блоки ребристого и сплошного сечения взаимозаменяемы. Такая обделка признана наиболее совершенной и экономичной. Расход бетона и арматуры на 1 м тоннеля составляет: в конструкции из ребристых блоков соответственно 3,29 м³ и 230,3 кг, в конструкции из блоков сплошного сечения 3,46 м³ и 227 кг.
Для упрощения изготовления и большей сопротивляемости щитовым домкратам, а также для связи колец между собой, унифицированную обделку несколько видоизменили и назвали трехштрабной. В нормальных блоках для болтовых связей между кольцами устроили ниши — штрабы. Наружные размеры блоков остались без изменения, расход бетона составил 3,53 м³, стали 254 кг на 1 м тоннеля.
Одним из путей повышения уровня механизации проходческих работ, уменьшения стоимости и трудоемкости строительства метрополитенов является внедрение сборных железобетонных обделок, обжатых в породу. Обделка применяется при механизированной проходке перегонных тоннелей метрополитенов в грунтах различных категорий. Ее конструкция основана на существующей сборной железобетонной унифицированной обделке.
Кольцо обделки состоит из шести нормальных, одного лоткового блоков и специальных распорно-фиксирующих вкладышей. Монтаж кольца начинается с укладки лоткового и двух примыкающих к нему нормальных блоков. На предлотковые блоки устанавливаются съемные упоры. Затем монтируются остальные блоки обделки, их опирают на выдвижные опорные балки вспомогательной тележки. С помощью гидравлических домкратов производится подъем верхней половины кольца обделки до плотного прижатия блоков к внутренней поверхности оболочки щита.
Преимуществами применения сборной железобетонной обделки являются: устранение процесса первичного нагнетания цементно-песчаного раствора за обделку, использование элементов серийных обделок и существующего оборудования для проходки и монтажа колец, ускорение процесса сооружения тоннелей.
Технологию работ и конструкцию обделки разработали Всесоюзный научно-исследовательский институт транспортного строительства и Метрогипротранс, внедрение осуществлено Мосметростроем.
Для создания обжатой обделки в глинистых грунтах при отсутствии на строительстве механизированного агрегата может быть использован и обычный щит. Грунт в этом случае разрабатывается с некоторым незначительным недобором по контуру выработки, а затем при передвижении щита подрезается ножевым кольцом последнего. В 1976 г. такой способ был применен при строительстве перегонного тоннеля в лессовых суглинках Ташкентского метрополитена. Использовался обычный щит (без каких-либо переделок и дополнений). Собранное кольцо обделки разжималось в грунт после выхода из-под оболочки. Последняя не была укорочена, поэтому для выталкивания кольца на породу под опорные подушки щитовых домкратов устанавливались деревянные коротыши. Опыт оказался успешным, но показал, что хвостовую оболочку необходимо укрепить до размера ширины кольца обделки, сделать ее более тонкой со съемной нижней частью для того, чтобы при проходке в устойчивой породе оставлять лишь козырек в верхней части выработки.
Кольцо обделки состоит из восьми нормальных блоков, двух лотковых, четырех клиньев, вкладыша и прокладки. Марка бетона нормальных блоков 400, а лотковых, клиньев и вкладыша 300. Цементно-песчаный раствор для заделки монтажных зазоров в лотке М-200. В стыках между блоками устанавливаются по две фиксирующие шпильки.
Кольца между собой ничем не фиксируются, так как каждое кольцо работает самостоятельно, независимо друг от друга.
Сборная железобетонная обделка 5-БНЛ-2, обжатая в породу, из плоских блоков с разжатием в лотке с помощью гидравлического домкрата разработана для применения в качестве несущей конструкции подземных сооружений на прямолинейном участке. Обделку собирают укладчики, дополненные поддерживающими устройствами (например, конвейерный укладчик КТЗ-5,6, входящий в щитовой комплекс, изготовляемый Ясиноватским машиностроительным заводом).
Обделка рассчитана на вертикальную равномерно-распределенную нагрузку 50 тс/м² и горизонтальную 15 тс/м² с учетом упругого отпора породы при коэффициенте постели 40 кгс/см³.
Для участков проходки тоннелей с большим горным давлением Ленметротранспроектом разработана усиленная обделка 5-БНЛ-2У с разжатием в лотке. По очертанию и форме блоков она соответствует обделке 5-БНЛ-2, но рассчитана на удельную вертикальную статическую нагрузку 100 тс/м² и горизонтальную по двум схемам загружения соответственно 50 тс/м² и 30 тс/м² с учетом упругого отпора породы при коэффициенте постели, равном 40 кгс/м³.
Для повышения несущей способности элементов обделки в кольце при длительном нарастании горного давления в стыках между отдельными блоками устанавливают комбинированные прокладки ПЗ, которые центрируют передачу усилий с одного блока обделки на другой и за счет низкомодульных элементов исключают их омоноличивание при нагнетании цементного раствора за обделку при контрольном нагнетании. Прокладки ПЗ устанавливаются в стыки между отдельными элементами обделки при ее монтаже.
Внедрение сборных железобетонных обделок, обжатых в породу, является одним из путей повышения уровня механизации проходческих работ, уменьшения стоимости и трудоемкости строительства метрополитенов. Обделка применяется при механизированной проходке перегонных тоннелей метрополитенов в грунтах различной категории (кроме скальной).
Монолитно-прессованная обделка. в последние годы при строительстве перегонных тоннелей метрополитенов и тоннелей другого назначения все чаще находит применение монолитно-прессованная обделка. Она формируется из бетонной смеси давлением, создаваемым проходческим щитом по мере его продвижения вперед.
Цикл работ начинается с установки в хвостовой части щита очередной секции опалубки. Затем в заопалубочное пространство подается бетонная смесь и щит продвигается вперед, прессуя эту смесь реактивным усилием щитовых домкратов. Одновременно с продвижением щита снимают заднюю секцию опалубки. Монолитно-прессованная обделка имеет хороший внешний вид, толщина обделки составляет 37-40 см, фактическая прочность бетона через 28 сут в среднем 400 кгс/см³.
Применение монолитно-прессованной бетонной обделки позволяет отказаться от возведения сборной обделки из отдельных железобетонных элементов, что полностью устраняет нагнетание цементного раствора за обделку, чеканку швов между блоками, значительно уменьшает осадку поверхности земли. При этом сборный железобетон заменяется более дешевым монолитным бетоном, а экономия металла составляет 250 т на 1 км тоннеля.
Монолитно-прессованная обделка была применена при строительстве Московского, Минского, Горьковского, Тбилисского метрополитенов по документации, разработанной Метрогипротрансом и СКТБ Главтоннельметростроя.
Однако обделки, выполненные из бетонов на обычном цементе, нельзя считать эквивалентными чугунным в отношении водонепроницаемости. Кроме того, технология их возведения не обеспечивает высокого качества бетона, уплотненного прессованием, так как из-за потери пластичности смеси между формируемыми секциями тоннеля образуется холодный шов, через который возможна фильтрация воды. Одновременно прессование отрицательно влияет на качество бетона, так как предыдущая секция еще не набирает распалубочной прочности. Структура материала нарушается: в нем появляются микро- и макротрещины.
Исключить эти недостатки можно путем применения бетона, приготовленного на напрягающем цементе (НЦ), и введения в смесь пластифицирующей добавки, обеспечивающей нужную пластичность смеси и замедление ее схватывания в пределах установленного времени.
Бетонное кольцо с такой добавкой остается пластичным в течение 8 ч, а затем схватывается и интенсивно набирает прочность. Такой бетон подвергается перепрессовке не в момент схватывания, а еще в пластичном состоянии. Поэтому деструктивных процессов в нем не происходит. Напротив, структура его улучшается в результате повторного прессования.
При затвердевании бетона НЦ в нем развиваются процессы расширения и самонапряжения. Это исключает образование микротрещин и залечивает те, которые почему-либо образовались. Водонепроницаемость обделки в процессе самонапряжения повышается.
При прессовании бетон предыдущей секции находится еще в пластичном состоянии, поэтому холодный шов не образуется.
Монолитно-прессованная конструкция из бетона НЦ выполнена Минскметростроем совместно с НИИЖБ Госстроя СССР на участке Минского метрополитена длиной 100 м. В результате проведенных исследований был подобран следующий состав смеси: напрягающий цемент НЦ-10 — 520 кг, песок строительный — 640 кг, щебень гранитный — 1050 кг, вода — 182 л, суперпластификатор С-3- 1,3% от массы сухого цемента. Напрягающий цемент НЦ-10 производственного объединения «Волковыскцементошифер» марки 500 соответствует ТУ-21-48-82. Опыт устройства монолитно-прессованных конструкций из бетона НЦ свидетельствует о том, что его применение не вносит каких-либо дополнительных трудностей в технологию возведения обделки. В то же время такая обделка не пропускает воду.
Лабораторные и полевые испытания показали, что бетоны на основе напрягающих цементов и суперпластификаторов С-3 позволяют добиться необходимой прочности и водонепроницаемости при сжатии до 50 МПа в течение 28 сут.
Обделка 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.
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 453×5140 × 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. м³ 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 КМО2×5.
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.
Способы повышения качества сборной железобетонной обделки. Качество сборной железобетонной обделки круглого сечения в значительной степени определяет трудоемкость возведения и эксплуатационную надежность тоннеля. Достижение требуемой ее водонепроницаемости в значительной мере зависит от качественных показателей выпускаемых заводами блоков.
На сегодня можно утверждать, что блоки Очаковского завода из двухблочных форм с крышками — лучшие в стране. Технология создания блоков обделки перегонных тоннелей диаметром 5,5 м в двухблочных формах с крышками разработана Всесоюзным научно-исследовательским институтом транспортного строительства совместно с Очаковским заводом ЖБК Мосметростроя и реализована. Оборудование сконструировано СКТБ Главтоннельметростроя совместно с ЦНИИС и Очаковским заводом. Опорный пункт ЦНИИС при заводе провел испытания по повышению водонепроницаемости блоков путем введения в бетонную смесь суперпластификатора «10-03».
Химические добавки — эффективное средство повышения качества сборного железобетона. Известными в настоящее время добавками, пригодными для большинства бетонов, являются добавки поверхностно-активных веществ (ПАВ). К ним относятся пластифицирующие и воздухововлекающие ПАВ, а также ПАВ смешанного действия.
Комплексные добавки из пластифицирующего и воздухововлекающего компонентов позволяют более гибко воздействовать на смесь и бетон.
При этом одновременно с морозостойкостью можно повысить и водонепроницаемость бетона. Для сборных конструкций перспективно применение ускорителей твердения, которые позволяют сократить длительность тепловой обработки. Однако область применения ускорителей ограничена особенностями условий эксплуатации конструкций, видом арматуры и дефицитом самих добавок.
Для более быстрого набора прочности гораздо целесообразнее вносить в бетон пластифицирующие добавки, позволяющие снизить в бетоне водоцементное отношение.
Особенно эффективно проявили себя суперпластификаторы, в частности суперпластификатор марки С-3. Они способствуют значительному сокращению длительности тепловой обработки.
На заводах ЖБК Главтоннельметростроя уровень применения добавок достигает 4,5% объема всего приготовляемого бетона и 11% объема сборного железобетона. Госстроем СССР и соответственно руководством Минтрансстроя в 1985 г. было принято решение о производстве 60% всего бетона с химическими добавками. В последующие годы этот объем должен возрасти до 90%.
Перспективны модифицированные личносульфонаты, например, добавка ЛСТМ-2, производство которой начато целлюлозно-бумажной промышленностью. Она может применяться в монолитном и сборном бетоне.
При производстве морозостойких материалов следует вводить в бетонную смесь, кроме пластифицирующих, еще и воздухововлекающие добавки, поставляемые в виде твердого или жидкого концентрата. Комплексные добавки целесообразно использовать в товарном бетоне независимо от требований морозостойкости. Смеси с такими добавками характеризуются пониженными расслаиваемостью и водоотделением при транспортировке на большие расстояния. Смеси, содержащие вовлеченный воздух, помимо всего прочего отличаются повышенной удобоукладываемостью.
Внедрению химических добавок должна предшествовать определенная работа лабораторий предприятий по подбору составов бетона и уточнению или изменению режима тепловой обработки. Исследования необходимо выполнять на каждом заводе в связи с конкретными особенностями применяемых материалов, требованиями к бетонам, режимами твердения и другими условиями производства. Без применения химических добавок сейчас немыслим прогресс в производстве бетона, в том числе для сборных конструкций.
