ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ СООРУЖЕНИЯ ТОННЕЛЯ

Полезная модель относится к области строительства, а именно, к сооружению тоннелей горным способом.
Известен технологический комплекс для сооружения тоннелей горным способом, содержащий машину для разработки грунта (комбайн или буровую раму), машину для сооружения крепи (анкерустановщик, бетононасос или набрызгбетонмашину), транспортные средства, анкернонабрызгбетонную или арочно-бетонную крепь выработки («Справочник инженера-тоннельщика», М., Транспорт, 1992, с.157, 159, 188, 193, 350).
Недостаток данного технологического комплекса заключается в неопределенности свойств грунтов впереди забоя, поскольку грунты обладают большой изменчивостью свойств, а инженерно-геологические прогнозы отличаются большими неточностями. Неожиданная встреча проходкой тектонического разлома (зоны резкого снижения прочности грунта) чревата возможностью аварий.
Известен технологический комплекс для сооружения тоннелей горным способом, дополнительно содержащий буровую установку для опережающего разведочного бурения (С.Н.Власов «Байкало-Амурская магистраль. Технический отчет», ТИМР, 1999, с.95, с.118).
Недостаток данного комплекса заключается в ощутимом замедлении проходки ввиду больших затрат времени на бурение нескольких разведочных скважин в забое (несколько суток), поэтому опережающее разведочное бурение применяют, как правило, только в местах ожидаемого пересечения с тектоническими разломами и постоянный контроль качества грунта впереди забоя отсутствует. По этой причине крепь назначается, исходя из экстремальных условий на трассе тоннеля.
Задача предлагаемой полезной модели заключается в обеспечении постоянного контроля качества грунта впереди забоя, что, кроме предупреждения аварий, дает возможность повышения экономичности конструкции временной крепи и увеличения скорости проходки.
и
з
и
з
Для получения указанного технического результата в технологический комплекс для сооружения тоннеля, содержащий сооруженную часть тоннеля, закрепленную армокаркасами и бетоном или набрызгбетоном толщиной t, призабойную зону длиной L, включающую зону намечаемых заходок L, оборудование для проходки выработок, включают оборудование для геофизического замера плотности Р горных пород на длине L в призабойной зоне, причем длина L намечаемой заходки и толщина t слоя бетона выполнены переменными по длине тоннеля, при этом:
з
L=V/Т, (м),
где V - скорость проходки выработки (м/сутки), определяемая применяемым проходческим оборудованием;
Т - время устойчивого состояния неподкрепленной выработки,
∗
3
∗
2
у
у
у
Т=0.246К -1.618К +3.744 К-2.575 (сутки); 0<Т<10;
у
К - коэффициент устойчивости неподкрепленной выработки,
К<sub>у</sub>=(0.7÷1.3)<sup>∗</sup>R/Σ(γ<sub>i</sub><sup>∗</sup>H<sub>i</sub>); (безразмерная)
1.0<K<sub>у</sub><10;
R - прочность горной породы на сжатие,
R=k<sup>∗</sup>Р-4045, (т/м<sup>2</sup>);
2.25≤Р≤2.55, т/м<sup>3</sup>;
k=1837.8 м;
t - определяется расчетом конструкции крепи на нагрузку q
∗
2
q=γh; (т/м),
∗
h=B/(αR) (м);
где В - пролет выработки (м);
3
γ - плотность горной породы в своде (т/м);
2
α=20 м/т;
h - высота свода обрушения (м).
и
з
При геофизическом замере плотности Р горных пород используется аппаратура для резонансно-акустического профилирования, при этом длина L призабойной зоны, анализируемой за один замер, и длина участка с намечаемыми заходками L характеризуются следующими соотношениями:
1
з,i
и
и
и
n
Σ L≤0.5 L, где n - число заходок после проведения одного геофизического измерения плотности грунтов впереди забоя, при этом L=(20÷40) м, L≤3H,
где H - высота выработки (м).
Сущность полезной модели поясняется схемой на чертежах, где
на фиг.1 схематически представлен технологический комплекс для сооружения тоннеля;
и
на фиг.2 представлен пример прогноза плотности грунтов по результатам геофизических измерений на длине L=30 м;
на фиг.3 представлены результаты испытаний образцов полускальных горных пород на одноосное сжатие.
и
з
Технологический комплекс для сооружения тоннеля содержит уже сооруженную часть тоннеля 1, закрепленную армокаркасами 2 и бетоном или набрызгбетоном 3, проходческое оборудование 4, геофизическое оборудование 5 и призабойную зону 6 длиной L, очерченную контуром 7, подлежащую последующей проходке заходками 8 длиной L.
и
Результатом геофизических измерений является график плотности грунтов впереди забоя на длине L (пример такого графика приведен на фиг.2).
Испытания образцов полускальных горных пород на сжатие показали четкую зависимость прочности от плотности породы (фиг.3).
∗
3
и
Используя эту корреляционную зависимость между плотностью и прочностью горной породы на сжатие R (для полускальных горных пород R=18.378Р-40.45, где R в МПа, а Р в т/м, причем 2.25≤Р≤2.55), получим распределение прочности горной породы перед забоем на длине L.
Для оценки устойчивости выработки в зависимости от прочности вмещающих грунтов использован метод интегральной оценки устойчивости обнажений по конфигурации и размерам возможных зон разрушения пород вокруг выработки [Н.С.Булычев «Механика подземных сооружений», М. «Недра», 1994]. Сущность метода заключается в сравнении прочности горных пород R на сжатие с величинами бытовых вертикальных напряжений γН на уровне выработки в определенной точке трассы тоннеля с учетом пластических свойств горных пород. Однако, использование сложных теоретических зависимостей в производственных условиях не всегда удобно, поэтому были выведены приближенные корреляционные зависимости.
Приближенно коэффициент устойчивости может быть определен по формуле
у
i
i
∗
∗
K=(0.7÷1.3)R/Σ(γ H),
i
i
∗
где Σ(γ H) - собственный вес слоев i горных пород над выработкой.
На основе такой оценки устойчивости неподкрепленной выработки экспериментально получена таблица зависимости времени стояния от показателя устойчивости.
Таблица - Категории устойчивости горных пород
№п/п
Показательустойчивости
Степеньустойчивости
Допустимое время обнажения
Рекомендации по креплению
1
>5.5
Вполне устойчивый
до 10 суток
Анкерная и/или набрызг-бетонная крепь
2
3÷5.5
Устойчивый
до 3 суток
Арочно-набрызгбетонная (бетонная) крепь с анкерами или без них
3
1.5÷3
Средней устойчивости
до 10 часов
Арочно-набрызгбетонная (бетонная) с анкерами или без них) + набрызг-бетон на свод и забой
4
1÷1.5
Слабоустойчивый
до 3-х часов
Арочно-набрызгбетонная (бетонная) + немедленный набрызг-бетон на свод и забой
5
<1
Неустойчивый
не допускается
Спецспособ (экран из труб, предв. укрепление) + набрызг бетон и анкера, в т.ч. на лоб забоя
По средним значениям диапазонов показателей устойчивости была получена корреляционная зависимость времени стояния Т неподкрепленной выработки от показателя устойчивости.
∗
3
∗
2
у
у
у
Т=0.246К -1.618К +3.744 К-2.575 (сутки).
з
Длина заходки L=V/Т,
где V - скорость проходки выработки, определяемая наличным оборудованием (м/сутки).
Используя известную зависимость
∗
h=B/(αR) (м);
где В - пролет выработки (м);
3
γ - плотность горной породы в своде (т/м);
2
α=20 м/т;
h - высота свода обрушения (м).
определяют высоту свода обрушения и ожидаемые нагрузки q на крепь выработки.
∗
2
q=γh (т/м);
Расчетом находят толщину крепи t по известной расчетной модели Метропроекта с учетом модуля деформаций горных пород, также полученного путем геофизических измерений.
и
После сооружения выработки ориентировочно на длине 0.5L геофизические измерения плотности грунтов впереди забоя повторяют и выполняют прогноз устойчивости выработки с корректировкой длины заходки и толщины крепи.
Эффективность данного технического решения определяется увеличением скорости проходки, снижением материалоемкости конструкции временной крепи и повышением безопасности ведения работ. Рациональная область применения - при наличии в пределах трассы строящегося тоннеля грунтов с разнородными свойствами, произвольно чередующихся друг с другом.