Временная крепь и обделка тоннеля. Процесс проходки тоннеля заключается в разработке грунта по очертанию и размерам проходимой выработки, удалении (выдаче) его на поверхность и закреплении выработанного пространства временной или постоянной крепью.
Пространство, образовавшееся после разработки грунта и его удаления, называют горной выработкой (рис. 7).
В зависимости от назначения горная выработка может называться: штольневой (при проходке штолен), тоннельной (при проходке тоннеля на полное сечение), калоттной (при проходке верхней части тоннеля горным способом) и др. Рабочее место, где ведут разработку грунта,— это забой выработки. Поверхность разрабатываемого грунта называют лбом забоя. В процессе производства работ забой по мере продвижения выработки перемещается вперед.
Конструкцию, устраиваемую для закрепления тоннельной выработки на период производства работ, называют временной крепью, а конструкцию, служащую для постоянного закрепления выработки,— обделкой.
Временная крепь предназначена для удержания от обрушений и вывалов грунта кровли, боков и лба забоя выработки, под ее защитой возводят постоянную обделку из бетона, железобетонных или чугунных тюбингов. Временные крепи бывают деревянные, металлические, деревометаллические и реже — железобетонные. Необходимость крепления кровли, боков, лба забоя и подошвы выработки и конструкция временной крепи устанавливаются проектом производства работ. При щитовом способе проходки временная крепь используется только для крепления лба забоя, а крепление кровли, боков и подошвы обеспечивается элементами конструкции щита, под защитой оболочки которого возводят постоянную обделку.
Рис. 7. Типы горных выработок:
a — штольня (сечение трапецеидальное); б-тоннельная выработка с круговой (цилиндрической) обделкой; в — котлован, разработанный открытым способом (с поверхности); 1 — деревянное крепление лба забоя; 2 — дощатая затяжка кровли выработки; 3 — крепление боковых поверхностей (стен) выработки; 4 — подошва выработки; 5 — постоянная обделка выработки; 6 — сваи вдоль боковой стены котлована; 7 — расстрел (распорка) между креплением боковых стен котлована; 8 — обделка тоннеля, сооружаемого открытым способом
Обделка тоннелей может иметь различное очертание (рис. 8). Обделки подковообразного очертания обычно используют при строительстве камер, раструбов, транспортных тоннелей. Круговые обделки имеют тоннели метрополитенов, сооружаемые закрытым способом. Обделки прямоугольной форм,ы используют для тоннелей открытого способа работ.
Различают следующие элементы конструкции обделки. Верхняя часть — свод — в подковообразных и круговых обделках и перекрытие в прямоугольных. Боковая часть обделки — стены, нижняя часть, обратный свод (плоский лоток).
Сборные обделки кругового очертания собирают из отдельных элементов — тюбингов или блоков.
Горное давление. В нетронутом грунтовом массиве грунты находятся IB состоянии равновесия и залегают в виде горизонтальных или наклонных пластов. При ведении проходческих работ равновесие грунта нарушается. Вокруг выработки появляются деформации грунта, проявляющиеся в виде разрыхления, оседания, вывалов отдельных кусков и целых глыб, которые давят на тоннельную крепь. Силы, вызванные нарушением равновесия горных пород в результате проходки выработки и действующие на ее крепь, называют горным давлением. Горное давление может быть вертикальным и боковым (рис. 9), хотя чаще оно бывает вертикальным и направлено сверху вниз.
Рис. 8. Типы обделок тоннелей:
а — подковообразная; б — круговая; в — прямоугольная
В монолитных скальных породах выработки без крепления могут сохраняться длительное время. В песчаных неустойчивых грунтах необходимо немедленно подводить временную или постоянную крепь.
На устойчивость кровли выработки влияют ее форма и размеры. Более устойчива кровля выработок сводчатой формы и небольшого пролета (ширины). При обрушении плоской кровли в ней образуется естественный свод, который называют сводом обрушения (сводом давления).
Рис. 9. Действие горного давления на крепь штольнеобразной выработки:
а — вертикальное давление с кровли выработки; б — боковое давление; в — вертикальное давление с подошвы выработки; г — действие давления с разных направлений
Гидростатическое давление. Проходка горной выработки или разработка котлована нарушает естественный водный режим в грунтовом массиве. Особенно сильно это проявляется в водоносных грунтах. Грунтовые воды из окружающей породы оттекают к выработке, откуда их необходимо откачивать на поверхность. Это приводит к понижению уровня 1 грунтовых вод в грунтовом массиве (рис. 10). В этот период обделка почти не испытывает давления от грунтовых вод. Для предотвращения поступления воды в построенный тоннель выполняют гидроизоляционные работы: делают контрольно^ нагнетание цементного раствора за обделку, зачеканивают швы, устраивают наружную оклеечную или внутреннюю гидроизоляцию. После выполнения этих работ поступление воды в тоннель прекращается, она начинает заполнять трещины и пустоты в окружающих тоннель породах и насыщать их водой. Уровень грунтовых вод начинает постепенно повышаться и через некоторое время достигает своего первоначального положения 2 (см. рис. 10). Над тоннелем образуется слой воды, а обделка начинает испытывать давление от напора грунтовых вод, которое называют гидростатическим давлением.
Учет нагрузок, действующих на тоннельную обделку. Обделки тоннелей и станций метрополитена должны иметь прочные, устойчивые и долговечные конструкции. Выполнение этого важнейшего требования проверяют расчетом обделок на нагрузку, действующие как: во время строительства, так и во время эксплуатации.
Нагрузки, действующие на тоннельные обделки, делят на постоянные и временные. К постоянным нагрузкам относятся горное и гидростатическое давления, вес зданий и других наземных сооружений, собственный вес конструкций, к временным — нагрузки от движущихся поездов в тоннелях, от наземного транспорта (при мелком заложении тоннелей), а также нагрузки, возникающие в процессе ведения проходческих работ (давление от нагнетания раствора за обделку, при щитовой проходке — давление от гидроцилиндров и др.). В практике проектирования тоннелей в нашей стране для определения силы горного давления принята теория проф. М. М. Протодьяконова, по которой горное давление определяют исходя из предположения, что над тоннелем образуется свод давления (свод обрушения), внутри которого порода разрыхлена и давит на обделку. Вес породы, расположенный вне этого свода, не оказывает давления на обделку.
Рис. 10. Положения уровня грунтовых вод:
1 — в процессе проходки тоннеля; 2 — до начала проходки и после ее окончания
При проходке тоннелей метрополитенов на сравнительно небольших глубинах в переслаивающихся песчано-глинистых грунтах свода обрушения над тоннелем не образуется, и осадка может доходить до поверхности. В этом случае вертикальное горное давление вызывается весом столба породы, заключенным между кровлей выработки и земной поверхностью.
Давление воды принимают соответствующим высоте напора, определенной для пласта грунта, в котором заложен тоннель.
Для тоннелей, сооружаемых открытым способом в котлованах, вертикальная нагрузка слагается из веса грунта, засыпанного над тоннелем, и воздействия движущегося наземного транспорта.
Временные нагрузки, которые могут действовать на обделку во время строительства или эксплуатации, определяют на основании нормативных документов. Для тоннелей, сооружаемых в сейсмических районах, учитывается и сейсмическое воздействие.
Кроме постоянных и временных нагрузок, при выборе материала и конструкции тоннельных обделок учитывают инженерно-геологические и гидрогеологические условия, при этом обделку рассчитывают на самое неблагоприятное сочетание нагрузок.
