Файл: Мостков, В. М. Подземные сооружения большого сечения.pdf

Метод был принят к производству лишь после того, как при про­ ходке верхней части туннеля начали образовываться вывалы породы и забой пришлось остановить на целый год.

§ 15. Механизированные и специальные способы

Механизированные способы проходки. Последние 10 лет под­ земное строительство характеризуется значительным развитием механизированного способа проходки выработок и расширением области его применения. Если общая длина туннелей, пройденных во всем мире в 1964 г. механизированными щитами и комбайнами, составила 6—7 км, то уже через 5 лет она достигла 30—35 км в год, в настоящее время возросла до 50 км в год. Конструкции туннелепроходческих машин (комбайнов и механизированных щи­ тов) постоянно совершенствуются, улучшаются управление машинами и контроль за их продвижением, возрастают возможная крепость породы, диаметры машин, скорость проходки [29, 33, 82, 120].

Тенденция к постепенному переходу к механизированному спо­ собу проходки туннелей объясняется тем, что по сравнению с буро­ взрывным механизированный способ проходки позволяет:

организовать непрерывную работу в забое и при определенных условиях достичь скорости 100 м/сут;

значительно уменьшить (на 20—40%) затраты труда на проходку туннеля и добиться полной механизации и автоматизации проходче­ ских работ в забое на базе самой современной техники;

резко снизить степень нарушения окружающего скального мас­ сива и смещение пород кровли и благодаря этому облегчить конст­ рукцию крепи и повысить уровень безопасности работ, а также при­ близить трассу туннеля к поверхности земли;

практически ликвидировать переборы породы и переклады бетона

итем самым уменьшить стоимость работ и конструкций.

Кнедостаткам механизированного способа следует отнести

впервую очередь высокую стоимость туннелепроходческих машин и их резцов, требуемые значительные установленные мощности электродвигателей и расход электроэнергии на 1 м3 породы, особые сложности при работе в обводненных и переслаивающихся породах различной крепости.

По данным работы [78] стоимость туннелепроходческой машины

вдолларах примерно в 4,3 раза превышает квадрат диаметра тун­ неля в сантиметрах, а длина туннеля, оправдывающая применение машины, должна быть более 1,6 км. По другим данным стоимость

машины составляет 5£Ы 04 долларов, где D — диаметр туннеля в футах.

Вместе с тем вышеприведенные достоинства механизированного способа столь существенны, что ряд фирм-изготовителей машин счи­ тает механизированный способ оптимальным при длине туннеля уже более 0,5 км и при стоимости резцов до 70 долл, на 1 м3 породы.

191

192

Рис. 83. Туннслепроходческая машина фирмы Роббинс

Механизированная проходка туннелей большого сечения на пол­ ный профиль в настоящее время ограничена размерами машин и кре­ постью породы. В табл. 33 приведены некоторые примеры примене­ ния туннелепроходческих машин диаметром около 8 м и более фирмы Роббинс. В США имеются также отдельные подобные машины не только фирмы Роббинс, но и других фирм (Ярва, Алкрик, Калвелд и др.). На рис. 83 показана туннелепроходческая машина большого диаметра. В Советском Союзе при сооружении Лысогорского железно­ дорожного туннеля на линии Краснодар — Туапсе с 1972 г. при­ меняют механизированный щит Московского механического завода Главтоннельметростроя. Щит диаметром 8,7 м предназначен для меха­ нической разработки пород с пределом прочности на сжатие до 300 кгс/см2, общая мощность двигателей 575 кВт, масса щита 365 т.

В целом машин большого диаметра (8—11 м) относительно мало (10—15% общего числа туннелепроходческих машин). Проходят они туннели кругового очертания в малоабразивных породах пре­ имущественно средней крепости и мягких (прочность породы на сжа­ тие примерно до 600 кгс/см2), лишь с отдельными включениями более твердых пород. Это вызвано технико-экономическими соображениями,

Рис. 84. Зависимость установленной мощности двигателей [N от диаметра машины D для пород:

1 — очень крепких и крепких; 2 — средней и нише средней крепости

поскольку стоимость режущего инструмента увеличивается про­ порционально прочности (абразивности) породы и площади попе­ речного сечения туннеля. Кроме того, с увеличением диаметра машины резко повышается установленная мощность двигателей (рис. 84), расход электроэнергии на разработку 1 м3 крепкой породы возрастает в 10—20 раз по сравнению с расходом в мягких породах и превышает 200 кВт-ч на 1 м3. Чистая скорость бурения при боль­ ших диаметрах машин значительно уменьшается (по сравнению с породами средней крепости скорость бурения в крепких и очень крепких породах уменьшается в 10—15 раз). Среднемесячная скорость, как правило не выше, чем при буровзрывном способе, хотя по сравнению с этим способом суточная скорость проходки достаточно велика и при диаметре 8 м достигает 20—30 м/сут.

Туннель Навайо в США, упоминаемый выше, разрабатывали туннелепроходческой машиной с очень высокими суточными скоро­ стями. В частности, 16 июня 1972 г. скорость проходки достигла 66 м, 21 июня — 72 м, 5 июля — 79 м. Вместе с тем средняя ско­ рость за весь период строительства была значительно ниже и соста­ вила 14 м/сут.

Стоимость туннелепроходческих машин диаметром 8 м и более чрезвычайно высока (примерно 1,5—3 млн. долл). Следует отметить, что за рубежом ряд фирм-изготовителей предоставляет строителям на прокат туннелепроходческие машины (в большинстве случаев месячный прокат машины стоит 8% ее полной стоимости).

Стремление снизить стоимость и поднять эффективность механи­ зированной проходки выработок большого сечения привело к по­ искам различных новых решений. В частности, как отмечалось выше, при разработке туннелей большого сечения широко исполь­ зуют комбайны диаметром 3—4 м для проходки передовых выработок (параллельно трассе основного туннеля или по его трассе). Такие выработки, проведенные практически независимо от крепости пород с высокими скоростями (поскольку при малых диаметрах имеются значительные возможности выбора оптимального типа туннелепро-

194

I

Рнс. 85. Разработка крупной выработки с предварительным созданием контурной щели меха­ низированным способом:

I — I V — этапы разработки выработки; 1 — штольня; 2 — контурная щель (нрорезь) между штольнями; 3 — специальный комбайн; 4 — направляющие балки; 5 — конвейер; 6 — ан­ керы; 7 — набрызгбетон по сетке

ходческой машины), позволяют установить в деталях инженерно­ геологические условия, а также облегчить вентиляцию и транспорт при проходке основных туннелей.

Фирмой А. Кунц в ФРГ предложен метод разработки крупных подземных сооружений в сравнительно устойчивых породах с пред­ варительным созданием комбайнами контурной щели по периметру выработки и последующей выемкой ядра с применением буровзрыв­ ных работ (рис. 85). Экспериментальное опробование отдельных элементов предложенного метода было проведено в 1972 г.

Оригинальное решение поэтапной проходки двух туннелей при­ менено в Швейцарии. Эти автодорожные туннели диаметром 10,5 мг длиной по 1,5 км расположены параллельно друг другу в слоистых песчаниках и мергелях. В первую очередь по трассе туннелей были

в 1971 г. начали разработку туннеля с помощью двух последователь­ но соединенных расширительных туннелепроходческих машин фир­ мы Вирт (тип ТБЕ IV и ТБЕ VII) диаметром 7,7 и 10,5 м. К преиму­ ществу описанного способа относится повышение уровня безопас­ ности работ и меньшие расходы электроэнергии и резцов по сравне­ нию с проходкой туннеля сразу на полное сечение.

Расширение возможности механизированной проходки выработок некругового очертания достигается применением комбайнов со стре­ ловидным исполнительным органом. Исполнительный орган такого комбайна (коническая резцовая головка) установлен на конце поворотной стрелы-рукоятки, имеющей телескопическое устройство, позволяющее удлинять ее в процессе работы. Перемещение стрелы

осуществляется гидроцилиндрами.

Подобные машины выполнены применительно к устойчивым поро­ дам средней крепости (300—400 кгс/см2) с отдельными включениями более крепких пород (до 700 кгс/см2). Эти прочности значительно ниже, чем при использовании туннелепроходческих машин, оснащен­ ных шарошками и обрабатывающими забой на полное сечение. Кроме того, одной из наиболее сложных проблем при применении комбййнов со стреловидным исполнительным органом является вентиляция забоя. Системы пылеподавления и пылеотсоса, применяемые в настоящее время, не полностью решают эту проблему и туннельный забой оказывается запыленным. Работы в этом напра­ влении интенсивно ведутся различными организациями и заводами-

изготовителями.

Вместе с тем комбайны со стреловидным органом, получившие значительное развитие в СССР (ПК-Зм, ПК-9р, 4ПП-2 и др.), ФРГ (фирма Демаг), Англии (фирма Доско) и в других странах, имеют определенные преимущества перед туннелепроходческими машинами, разрабатывающими забой на полное сечение. К таким преимущест­ вам относятся: универсальность формы поперечного сечения выра­ ботки; возможность избирательной разработки забоя и постоянного

доступа к нему; меньшая мощность двигателей.

Площадь поперечного сечения забоя при использовании подоб­ ных комбайнов ограничивается обычно размерами от 5 до 15 м2. В конце 60-х годов эти комбайны применяли в Италии при сооруже­ нии автодорожных туннелей большого сечения. Первоначально верх нюю часть туннеля разделяли на четыре участка и раскрытие ее вели по этапам. Вначале проходили боковые участки на длину 10 20 м, затем сводчатую часть, а в последнюю очередь уступ. Такой способ возможен лишь в устойчивых породах, иначе крепление кровли весьма осложнило бы работу. Достигнутая средняя произво­ дительность комбайна составила 12—15 м3/ч породы при чистой производительности около 35 м3/ч. По сравнению с буровзрывным способом в данном случае достигалось соблюдение требуемого кон­ тура, и отсутствие нарушения окружающего массива породы.

Примерно аналогичным образом разрабатывали туннель размером 9 X 6,6 м участка трассы метрополитена в Париже. Породы, пред­ ставляющие собой аллювиальные отложения, предварительно закре­ пляли путем инъекции силикагеля, создавая вокруг туннеля слон укрепленной породы толщиной от 4 м в стенах до 2 м в кровле. Разработку забоя осуществляли комбайном F6-A (Австрия) со стре­ ловидным органом. Вначале разрабатывали среднюю часть забоя на глубину 1,6 м. затем боковые части. Временную крепь выполняли

196