технология возведения подземных сооружений

Министерство образования и науки Российской Федерации
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра механики грунтов и геотехники
ТЕХНОЛОГИЯ ВОЗВЕДЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Методические указания к практическим занятиям
по дисциплине «Технология возведения подземных сооружений»
для студентов бакалавриата всех форм обучения направления подготовки
08.03.01 Строительство
© НИУ МГСУ, 2015
Москва 2015
УДК 624.1
ББК 38.78
Т38
Составитель
А.А. Привалов
Т38
Технология возведения подземных сооружений [Электронный ресурс] : методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Технология возведения подземных сооружений» для студентов бакалавриата всех форм обучения
направления подготовки 08.03.01 Строительство / М-во образования и науки Рос.
Федерации, Нац. исследоват. Моск. гос. строит. ун-т, каф. механики грунтов и геотехники ; сост. А.А. Привалов. — Электрон. дан. и прогр. (0,48 Мб). — Москва :
НИУ МГСУ, 2015. — Учебное сетевое электронное издание — Режим доступа:
http://lib.mgsu.ru/Scripts/irbis64r_91/cgiirbis_64.exe?C21COM=F&I21DBN=IBIS&P21D
BN=IBIS — Загл. с титул. экрана.
Даны теоретические сведения и методика необходимая для изучения технологии возведения подземных сооружений.
Для студентов бакалавриата всех форм обучения направления подготовки 08.03.01 Строительство.
Учебное сетевое электронное издание
© НИУ МГСУ, 2015
Отв. за выпуск — кафедра механики грунтов и геотехники
Подписано к использованию 03.09.2015 г. Уч.-изд. л. 2,92. Объем данных 0,48 Мб
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Национальный исследовательский Московский государственный
строительный университет» (НИУ МГСУ).
129337, Москва, Ярославское ш., 26.
Издательство МИСИ – МГСУ.
Тел. (495) 287-49-14, вн. 13-71, (499) 188-29-75, (499) 183-97-95.
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru
Содержание
Лекция I. Современные проблемы строительства подземных
сооружений
5
Лекция II. Производство и организация работ при строительстве подземных и заглублённых сооружений
7
Строительство подземных сооружений открытым способом
Лекция III. Котлованный способ работ
11
Лекция IV. Ограждения котлованов из металлических труб и
шпунта
15
Лекция V. Ограждения котлованов методом «стена в грунте»
19
Лекция VI. Полузакрытый способ строительства. Применение
подвижной и инвентарной крепи. Опускные колодцы и кессоны.
Полузакрытый способ строительства
27
Строительство вертикальных выработок
Лекция VII. Основные типы вертикальных выработок и методы их возведения. Проходка устья ствола и технологического
отхода. Основные типы вертикальных выработок и методы их
возведения
32
Лекция VIII. Технологические схемы строительства вертикальных выработок. Буровзрывной способ строительства
35
Лекция IX. Проходка вертикальных стволов с использованием
стволопроходческих комбайнов
39
Лекция X. Строительство стволов бурением
Строительство горизонтальных и наклонных подземных
сооружений закрытым способом
Лекция XI. Строительство горизонтальных и наклонных подземных сооружений закрытым способом
43
Лекция XII. Щитовой способ строительства. Механизирован-
47
4
ная проходка тоннелей.
Лекция XIII. Гидроизоляция и дренаж. Вспомогательные работы.
50
Лекция XIV. Комплексная механизация при проходке подземных сооружений. Способы бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций.
53
Специальные способы строительства подземных и заглублённых сооружений
Лекция XV. Специальные способы строительства подземных
и заглублённых сооружений
55
Лекция XVI. Искусственное замораживание грунтов
62
Лекция XVII. Закрепление грунтов инъекцией
66
Литература.
69
5
Лекция I
Современные проблемы строительства подземных сооружений
Подземные сооружения, размещаясь в массиве грунтов, подвергаются
постоянному воздействию гравитационного, магнитного и температурного
поля. В сейсмоопасных районах к этому добавляются также сейсмические
нагрузки. В верхней части земной коры, где в основном и осуществляется
строительство городских подземных сооружений, наиболее сильно проявляется воздействие гравитационного поля и тектонических процессов. Именно
эти факторы приводят к вывалообразованию грунтов и горных пород, к недостаточной устойчивости подземных выработок, вызывают оползни на откосах, прорывы воды и плывунов в котлованах и подземных выработках,
осложняя ведение технологических процессов и работу сооружения, как в
строительный, так и в эксплуатационный период. Вероятность и степень проявления указанных факторов в значительной мере зависят от инженерногеологических и гидрологических условий района строительства. Физикомеханические свойства грунтов также во многом определяют устойчивость и
надёжность работы подземных сооружений и, как следствие, возможность
размещения в грунтовом массиве различных объектов. Если при этом учесть
влияние гравитационного поля и тектонических подвижек, накладывающих
ограничения на топологию, конфигурацию, форму сечения и размеры подземных объектов, их устойчивость и срок службы, то становятся понятными
те высокие требования, которые предъявляются к строительству и эксплуатации подземных сооружений.
Применение современных машин и механизмов, а также высокотехнологичных процессов, позволяет в настоящее время осуществлять строительство подземных сооружений различного назначения практически в любых
инженерно-геологических и гидрогеологических условиях. В основе совре6
менной организации подземного строительства лежат общие принципы:
плановость, индустриальность, комплексная механизация и автоматизация
производств, поточная организация строительных процессов, специализация
строительно-монтажных организаций, круглогодичность производства строительно-монтажных работ, использование достижений научно-технического
прогресса и современных схем инвестирования.
Следует отметить, что освоение подземного пространства в последние
годы базируется на использовании современных форм и способов организации подземного строительства и, в частности, создание специализированных
фирм для строительства крупномасштабных подземных сооружений.
Современные технологии строительства подземных сооружений принято подразделять на следующие группы:
 «открытый» способ;
 «закрытый» способ;
 «полузакрытый» способ;
 «специальные» способы.
7
Лекция II
Производство и организация работ при строительстве подземных и заглублённых сооружений
Период времени, отводимый на строительство подземного сооружения,
обычно подразделяют на три этапа:
1. подготовительный; на этом этапе возводят все наземные объекты,
необходимые для нормального ведения подземных работ, выполняют усиление фундаментов прилегающих зданий, а также другие работы, необходимые
для обеспечения нормального функционирования строительного процесса;
2. основной – возводятся подземное сооружение и все наземные объекты, необходимые для его эксплуатации;
3. заключительный – проводят отделочные и монтажные работы, разбирают временные здания и сооружения, восстанавливают инженерное благоустройство территории и ликвидируют строительную площадку.
Перед началом подготовительного периода проводятся организационные мероприятия, связанные с составлением задания на проектирование,
разработкой и утверждением проектно-сметной документации, решением основных вопросов финансирования работ, согласованием планов материально-технического снабжения и поставки оборудования, оформлением документации и отводом в натуре земельного или горного участка*, освобождением территории, отводимой под строительство, согласованием планов строительно-монтажных работ между генеральным подрядчиком и субподрядными организациями и решением других организационно-производственных
вопросов.
*
Горным участком (или горным отводом) называется геометризованный блок недр, размеры и размещение в
плане и профиле которого определяются положением и габаритами участка строительства и эксплуатации
подземного сооружения, границей безопасности ведения подземных работ, зонами сдвижения горных
пород, контурами предохранительных целиков под природными объектами, зданиями и сооружениями и
другими факторами, влияющими на состояние недр и земной поверхности (Закон РФ «О недрах»).
8
В этот период времени проектной организацией в составе технического
проекта разрабатывается проект организации на полный объём строительства
(ПОС), а подрядной или субподрядной строительной организацией по рабочим чертежам и с учётом решений ПОС разрабатывается проект производства работ (ППР) на возведение сооружения в целом или на конкретный вид
работ, выполняемых этой организацией (возведение ограждения котлована,
земляные работы, бетонные работы и пр.).
ППР должен включать в себя:
1.
календарный план производства работ и (или) комплексный сете-
вой график, устанавливающие последовательность и сроки выполнения работ
и определяющие количественный и качественный состав строительных бригад, применяемые машины и механизмы, оптимальную потребность в трудовых ресурсах, а также выделять этапы и комплексы работ;
2.
строительный генеральный план, определяющий границы строи-
тельной площадки и виды её ограждений; расположение временных и постоянных инженерных сетей и коммуникаций (наземных, подземных и воздушных), временных и постоянных дорог; схемы движения транспорта и строительных механизмов; места установки строительных и грузоподъёмных машин с указанием путей их перемещения и зон действия; размещение существующих, временных и строящихся зданий и сооружений, опасных зон, путей и средств спуска на рабочее место, а также проходов по строительной
площадке; размещение источников и средств энергоснабжения и освещения;
местоположение устройств для сбора строительного мусора, площадок и помещений для складирования материалов, административно-бытового комбината, зон выполнения работ повышенной опасности;
3.
график поступления на объект строительных конструкций, изде-
лий, материалов и оборудования;
4.
график движения рабочей силы;
9
5.
график движения основных строительных машин по объекту;
6.
технологические карты или схемы, разрабатываемые на выполне-
ние отдельных видов работ с описанием их последовательности, сроков и методов производства, необходимых трудозатрат, потребности в материалах,
машинах, оборудовании и средствах защиты, включая схемы операционного
контроля качества выполняемых работ;
7.
решения по геодезическому и маркшейдерскому обеспечению;
8.
проектные разработки решений по технике безопасности;
9.
решения по прокладке временных инженерных сетей и перекладке
коммуникаций, попадающих в зону строительства;
10. пояснительную записку;
11. технико-экономические показатели.
12.Обеспечение качества строительной продукции при осуществлении
всех видов строительных, монтажных и специальных работ достигается путём контроля соответствия выполняемых операций проекту и действующим
нормативным документам.
При строительстве зданий и сооружений в охранной зоне городской застройки, памятников культуры и архитектуры, культовых сооружений, а
также объектов I уровня ответственности, дополнительно должна быть организована сеть высокоточных геодезических наблюдений за осадками близлежащих зданий и сооружений (геотехнический мониторинг).
Приёмка работ от бригады производится начальником участка, а при
сдаче законченного строительством объекта заказчику комиссией, в состав
которой входят представители заказчика, проектной организации, подрядчика, СЭС, пожарной инспекции, органов государственного строительного
надзора и др.
Повышению качества выполняемых работ способствует операционный
контроль, проводимый производителями работ. Особое внимание при под10
земном строительстве уделяется скрытым работам, т.е. работам, результаты
которых в дальнейшем становятся недоступными для визуальной и инструментальной оценки. Скрытые работы в обязательном порядке оформляются
соответствующими актами, без подписания которых представителями заказчика, проектировщика и подрядчика дальнейшее производство работ не допускается.
Одним из условий обеспечения высокого качества строительства является постоянный авторский контроль проектной организации, а также технический надзор заказчика. Для обеспечения сроков и качества выполняемых
работ повсеместно принята практика регулярных (еженедельных или ежедекадных, а в особых случаях и ежедневных) оперативных совещаний с участием представителей всех организаций – участников строительного процесса.
В последние годы все более широкое значение приобретают системы
управления качеством в строительстве. Они предусматривают установление,
обеспечение и поддержание требуемого воздействия на условия и факторы,
влияющие на качество путем организации и внедрения правил работы и взаимодействия внутри предприятия, которые определённым образом документируются. Документированные процедуры охватывают все элементы, включённые в систему качества, и описывают, как следует осуществлять конкретную деятельность по обеспечению качества.
Для того чтобы система качества стала неотъемлемой частью жизнедеятельности проектной или строительно-монтажной организации, необходимо
регламентировать деятельность, ответственность и полномочия всех подразделений строительной организации и отдельных сотрудников в области качества в положениях по подразделениям и должностных инструкциях.
11
Лекция III
Строительство подземных сооружений открытым способом
Котлованный способ работ
Сущность открытого способа возведения подземных сооружений заключается в следующем: строительство ведётся во вскрытом с поверхности
земли котловане или траншее, на дно которых опирают конструкцию возводимого сооружения. По окончании строительно-монтажных работ, котлован
или траншею засыпают грунтом и восстанавливают инженерные коммуникации и дорожное покрытие. Данный способ обычно применяют для возведения подземных объектов на свободной от сооружений территории, в том
числе в условиях плотной городской застройки, для прокладки трубопроводов и строительства на небольшой глубине (до 6 м) тоннелей различного
назначения, насосных станций, станций метрополитена, подземных переходов
При строительстве подземных сооружений открытым способом принято различать три основных метода возведения:
 котлованный,
 траншейный,
 с применением подвижной крепи.
Форма, размеры и глубина котлована зависит от формы и габаритов
строящегося объекта, особенностей существующей застройки и инженерногеологических условий района строительства. В зависимости от перечисленных условий, котлованы могут быть:
 с естественными откосами – применяются в устойчивых необводнённых грунтах при наличии достаточно свободной территории и организованном отводе поверхностных вод;
12
 с вертикальными стенами – применяются при строительстве подземных
сооружений вблизи существующих зданий в условиях плотной городской застройки;
 с комбинированными стенками – используются при существенной неоднородности грунтов по глубине котлована и для частичного разгружения
откоса.
Котлованы с естественными откосами устраивают в сухих и маловлажных устойчивых грунтах при отсутствии в пределах заложения откоса плюс
не менее 1 – 2 м зданий и сооружений. Во всех остальных случаях необходимо разработать проект ограждения котлована.
В стеснённых городских условиях, в зависимости от глубины
котлована, инженерно-геологических и гидрогеологических условий участка,
а также сроков строительства используются различные конструктивные
способы закрепления стен котлованов. С этой целью применяют:
 Балочные ограждения – используются в связных грунтах и состоят
из металлических труб, двутавров или спаренных швеллеров № 40  60,
погружаемых на расстоянии не более 3 м друг от друга. Принцип работы
балочного ограждения заключается в том, что в связных грунтах между
вертикальными балками образуются горизонтальные своды, передающие на
эти балки давление грунта.
 Ограждения из металлических свай используются в песчаных и
глинистых грунтах, при расположении уровня подземных вод ниже дна
котлована. В качестве свай чаще всего используются стальные двутавры №
30  60 или трубы диаметром 150 – 400 мм. Сваи погружают в один или два
ряда в шахматном порядке на расстоянии около 0,5 – 1,5 м одна от другой с
заглублением ниже дна котлована Пространство между сваями крепится с
помощью забирки из стального листа, деревянных досок, железобетонных
плит или покрытия из набрызгбетона, применяемого только в связных
грунтах.
13
 Металлический шпунт используется в нескальных грунтах, при
расположении уровня подземных вод выше дна котлована. Шпунт
представляет собой прокатный металлический профиль длиной 12 или 25 м и
шириной до 0,5 м. При необходимости шпунтины могут наращиваться, с
доведением их длины до 35 – 40 м.
 Деревянный шпунт изготавливается из досок толщиной до 8 см и
брусьев толщиной 10 – 24 см, длиной до 8 м, и применяется для крепления
котлованов глубиной 3 – 5 м.
 Железобетонный шпунт используется для создания несущих и
ограждающих
конструкций
в
сложных
инженерно-геологических
и
гидрогеологических условиях.
 Полимерный шпунт – используется для создания ограждающих и
противофильтрационных
конструкций
в
водонасыщенных
нескальных
грунтах. Достоинствами такого шпунта является его низкая стоимость,
малый вес, коррозионная стойкость элементов.
 Стена в грунте применяется при строительстве подземных
сооружений в условиях плотной застройки, в сложных инженерногеологических и гидрогеологических условиях. В качестве ограждающей
конструкции может использоваться:
1. траншейная стенка;
2. буросекущиеся или бурокасающиеся сваи;
3. сваи, выполненные по разрядно-импульсной технологии (РИТ);
4. грунтоцементные сваи.
Ограждение котлована должно одновременно решать следующие задачи: воспринимать боковое давление грунта, являться противофильтрационной завесой, воспринимать при необходимости вертикальные нагрузки от
здания, минимизировать влияние котлована на окружающую застройку.
Для
предотвращения
горизонтальных
перемещений
ограждений
котлованов используются:
14
 распорки;
 раскосы
 подкосы;
 грунтовые анкера;
 контрфорсы из элементов «стены в грунте»;
 диски межэтажных перекрытий.
Распорные крепления (распорки) применяют при ширине котлованов и
траншей не превышающей 15 – 20 м. По глубине котлована распорки могут
устанавливаться в один, два или несколько рядов.
Подкосные
крепления
(подкосы)
применяются
для
крепления
ограждений стен широких котлованов при возможности разработки грунта в
центре котлована до проектной отметки с сохранением грунтовых берм и
устройством фундаментной плиты с закладными креплениями для подкосов.
Главным недостатком этого способа является сложность производства
земляных работ вблизи подкосных креплений.
Грунтовые
предназначенные
анкеры
для
(анкерные
устройства)
перераспределения
усилий
–
это
в
устройства,
ограждающих
конструкциях на удалённые или глубоко расположенные слои грунта. В
основу принципа работы грунтовых анкеров положено использование
несущей способности грунта воспринимать создаваемые им же нагрузки на
ограждающие конструкции. Для этого замковая часть анкера должна
располагаться за пределами возможной призмы обрушения. Грунтовые
анкеры имеют следующие преимущества перед другими способами
крепления стен котлована: они не занимают рабочее пространство в
котловане, т.е. не мешают при разработке грунта и устройстве конструкций,
и имеют гораздо меньшую материалоёмкость.
15
Лекция IV
Строительство подземных сооружений открытым способом
Ограждения котлованов из металлических труб и шпунта
Погружение свай и шпунта может осуществляться с помощью:
- дизель-молотов;
- вибромолотов;
- вибропогружателей,
- пневмопробойников;
- сваезадавливающих установок.
К вибромолотам относят молоты ударно-вибрационного действия, в
которых
вертикально
направленные
колебания,
создаваемые
вибровозбудителем и передаваемые погружаемой свае, сочетаются с
периодическими ударами по ней. В качестве привода вибровозбудителя
используются двигатели электрические и внутреннего сгорания.
Вибропогружатели, по форме возбуждаемых колебаний, подразделяют
на машины продольного и продольно-вращательного действия. По рабочей
частоте колебаний эти машины могут быть: высокочастотные (700  1500
кол/мин) и низкочастотные (300  500 кол/мин). Вибропогружатель может
использоваться как для погружения, так и для выдёргивания шпунта и свай.
Бурозавинчивающаяся свая изготавливается из стальной трубы, на
которую наносят спиральную навивку, которая позволяет погружать сваю
путем вращения в сочетании с вдавливанием. Создание ограждений
котлованов этим способом позволяет избежать динамических воздействий на
окружающий грунтовый массив и существующую застройку, а также
существенно снизить уровень шума в процессе строительно-монтажных
работ.
16
Реверсивные пневмопробойники разработаны в Институте горного дела
Сибирского отделения Академии наук России (ИГД СО РАН). Конструкция
пневмопробойника включает в себя: корпус, ударный механизм, приводимый
в действие сжатым воздухом от компрессора, воздухораспределитедьный
патрубок. При работе ударник, установленный внутри корпуса, под
действием сжатого воздуха совершает возвратно-поступательное движение и
наносит удары изнутри по передней части корпуса. Под действием этих
ударов,
корпус
пневмопробойника
перемещается
вперёд.
Перемещение
воздухораспределительного
патрубка
из
внутри
переднего
положения (соответствующего прямому ходу) в заднее (соответствующее
обратному движению) обеспечивает перемещение пневмопробойника в
обратном направлении. Производительность пневмопробойника зависит от
физико-механических свойств грунта, диаметра забиваемой трубы или
пробиваемой скважины, энергии единичного удара, частоты ударов и др.
параметров.
Динамические воздействия на существующие здания и сооружения при
погружении свай и шпунта должны удовлетворять следующим требованиям:
 для
сооружений и
подземных
коммуникаций должна быть
обеспечена их нормальная эксплуатация;
 параметры
колебаний
должны
быть
допустимыми
для
чувствительных к колебаниям машин, оборудования и приборов;
 параметры колебаний не должны превышать допустимых значений
по санитарным нормам.
Для погружения шпунта и металлических свай в непосредственной
близости
от
существующих
зданий
может
использоваться
способ
вдавливания.
Машины для вдавливания свай и шпунта по способу создаваемого
усилия подразделяются на три категории:
17
 машины, усилие вдавливания в которых создаётся за счёт
собственного веса;
 машины, усилие вдавливание в которых создаётся за счёт
дополнительного пригруза;
 машины усилие вдавливания в которых создаётся за счёт передачи
реактивного усилия на монолитную массивную железобетонную плиту или
ростверк, предварительно заанкеренный в грунт основания.
К первой категории относятся установки: АВС-35, массой 40,4 т; СВУВ-6 массой 60 т; сваевдавливающая установка УСВ-120 на базе экскаватора
ЭО-6122, и т.п. Ко второй категории можно отнести установку с пригрузом
конструкции треста № 101 Главленинградстроя массой до 200 т. Эти
машины, в большинстве, своём характеризуются малой манёвренностью и
большой массой. Машины с большой массой нельзя применять их для
устройства ограждений котлованов в непосредственной близости от
существующих зданий и сооружений, т.к. дополнительное давление на
грунты основания от собственного веса машины и дополнительного пригруза
приведёт к неравномерным осадкам, кренам и другим повреждениям зданий.
Поэтому, в условиях плотной городской застройки наиболее целесообразно
использовать
установки
третьей
категории.
Технология
устройства
ограждения котлована в этом случае включает следующие операции.
1.
Устройство
монолитного
железобетонного
ростверка,
предназначенного для восприятия реактивного усилия при погружении. В
местах расположения свай или шпунтин в ростверке оставляют отверстия и
анкерные болты, к которым, после набора бетоном прочности, будет
крепиться сваезадавливающая установка.
2. Погружение свай или шпунтин. Погружение осуществляется
секциями, которые соединяются между собой при помощи сварки.
Задавливание секций производится до проектной глубины или до момента
18
фиксации на манометре установки давления, превышающего в 1,2 раза
расчетную нагрузку
3. В случае применения металлических труб, после достижения
расчетной глубины погружения полость трубы армируется одиночным
стержнем или пространственным арматурным каркасом, и начинается
процесс бетонирования. При этом обсадная труба остается в грунте
(трубобетонная свая) или извлекается по мере заполнения полости бетоном
(набивная железобетонная свая). Бетонирование ведется непрерывно, вплоть
до заполнения технологического отверстия ростверка, через которое
производилось задавливание.
19
Лекция V
Строительство подземных сооружений открытым способом
Ограждения котлованов методом «стена в грунте»
Способ «стена в грунте» нередко применяют при строительстве
подземных частей зданий различного назначения в условиях плотной
застройки, в сложных инженерно-геологических и гидрогеологических
условиях.
Не допускается применять способ «стена в грунте» на участках с
геологически неустойчивыми условиями, в крупнообломочных грунтах с
незаполненными пустотами между зёрнами, в карстовых грунтах с пустотами
и кавернами, при наличии в грунтах твёрдых включений (крупные валуны,
обломки бетонных или железобетонных конструкций, каменной кладки,
металлических балок и т.п.), в илах текучей консистенции и плывунах, при
наличии в грунтах напорных подземных вод с высокими скоростями
фильтрации.
Кроме
этого
экономически
нецелесообразным
является
применение этого способа при малом заглублении подземной части здания в
грунт и большом количестве сложных конструктивных сопряжений
ограждающих стен с железобетонными перекрытиями и перегородками.
«Стена
в
грунте»
траншейного
типа
из
монолитного
железобетона
Сущность способа состоит в том, что по контуру будущего сооружения
специальными
землеройными
механизмами
разрабатывают
узкую
и
глубокую траншею для устройства в ней ограждающих стен. Для удержания
стенок траншей от обрушения при их разработке и последующем заполнении
бетонной
смесью,
сборными
железобетонными
конструкциями
или
противофильтрационными материалами применяется глинистая суспензия.
Глинистый
раствор
выполняет
роль
временной
крепи,
образуя
на
20
поверхности стенок траншей тонкую (толщиной 0,5 – 30 мм) и достаточно
плотную и прочную глинистую плёнку. Наличие этой плёнки предотвращает
избыточную фильтрацию раствора в грунтовый массив, обеспечивает
передачу на грунт статического и динамического давления глинистого
раствора и удерживает вертикальный откос траншеи от обрушения.
На строительной площадке, кроме возводимого сооружения, должны
располагаться:
участки
для
размещения
глинистого
хозяйства,
вспомогательных сооружений и складов, площадок для армоконструкций,
сборных элементов, других строительных материалов и изделий.
Перед началом работ по устройству несущей конструкции монтируют
машину для производства земляных работ и сооружают форшахту или
направляющие для будущих траншей, предназначенные для предохранения
краёв траншеи от обрушения во время отрывки. Обычно форшахта
сооружается из монолитного или сборного железобетона таким образом,
чтобы расстояние между стенками форшахты в свету было больше ширины
траншеи на 1015 см, уровень глинистого раствора находился на 1,01,5 м
выше уровня грунтовых вод. При этом минимальная высота форшахты
должна составлять не менее 0,81,0 м, а толщина стенок форшахты не менее
2025 см. Если уровень грунтовых вод находится высоко или у поверхности
залегают слабые грунты, то форшахту выполняют в насыпи.
Членение
стены
на
отдельные
захватки
должно
выполняться
вертикальными швами. Устройство горизонтальных швов при возведении
монолитных «стен в грунте» не допускается.
Для разработки траншей в основном используются ковшовые и
бурофрезерные машины.
Кроме
них,
для
разработки
грунта
внутри
траншеи
может
использоваться специальное навесное оборудование к кранам на гусеничном
ходу, представляющее собой гидрофрезу, состоящую из двух барабанов,
21
снабжённых режущими зубьями, разрушающими породу при вращении.
Разрушенная порода удаляется из траншеи эрлифтом.
Для соединения между собой отдельных секций стены в грунте, по
торцам захваток устанавливаются ограничители, которые обеспечивают
совместную работу соседних захваток и предотвращают попадание бетонной
смеси из одного участка траншеи в другой в процессе производства работ.
Затем монтируется арматурный каркас.
После установки в траншею арматурного каркаса и ограничителя
захватки приступают к монтажу оборудования для укладки бетонной смеси
методом вертикально-перемещающейся трубы (ВПТ).
Бетонирование продолжается до достижения бетонной смесью верха
траншеи. Верхний слой бетона, загрязнённый глинистыми частицами,
удаляется. Бетонирование прекращается только после того, как в уровне
верха траншеи появится чистая бетонная смесь.
Разработка грунта в котловане допускается только по достижении
бетоном 28-суточного возраста.
«Стена в грунте» траншейного типа из сборных железобетонных
элементов
Монолитные «стены в грунте» имеют низкое качество поверхности,
что приводит к их дополнительной обработке (расчистка, штукатурка,
облицовка),
обычно
исключают
использование
рациональных
конструктивных форм (ребристых, тавровых и других) и проведение
визуального технологического контроля качества арматурных и бетонных
работ. Поэтому, в ряде случаев возможно применение сборных или сборномонолитных стен в грунте.
Сборные «стены в грунте» проектируются из плоских, многопустотных
и ребристых панелей.
22
«Стена в грунте» из буросекущихся или бурокасающихся свай
Широкое распространение для устройства «стен в грунте» получили
буронабивные
сваи.
Такие ограждения
могут
устраиваться
в
виде
касающихся или секущихся буронабивных свай. Касающиеся сваи могут
применяться только при отсутствии подземных вод. При их наличии
применяются пересекающиеся сваи. В этом случае в первую очереди
устраиваются
неармированные
скважины.
После
набора
бетоном
достаточной прочности бурятся промежуточные скважины, армируются и
бетонируются.
Бурение скважин выполняется самоходными буровыми машинами или
комплектами навесного оборудования на серийные краны и экскаваторы.
Для бурения скважин в различных инженерно-геологических и
гидрогеологических условиях могут использоваться:
 ковшевой бур – в песчаных и глинистых грунтах любой степени
водонасыщения, в том числе с включениями валунов диаметром до 250 мм;
 шнековый бур – в песчаных и глинистых грунтах любой степени
водонасыщения, в том числе с включениями валунов диаметром до 450 мм, а
также в скальных грунтах;
 шарошечное долото – в скальных и полускальных грунтах;
 грейфер – в любых нескальных грунтах, в том числе с включениями
крупных валунов, которые невозможно извлечь ковшевым или шнековым
буром;
 телескопическая штанга «келли» - в любых нескальных грунтах.
Сооружение «стены в грунте» из буросекущихся свай плотную к стене
существующего здания может выполняться с помощью буровой системы
VDW фирмы «Bauer». Этот способ основан на одновременном вращении
наружной обсадной трубы и полой шнековой колонны.
23
В
неустойчивых
водонасыщенных
грунтах,
оплывающих
или
осыпающихся в незакреплённом виде, бурение выполняют под защитой
глинистого раствора.
Сваи, пробуренные под бентонитовым раствором, бетонируются
методом вертикально перемещающейся трубы.
Признаком качественного завершения бетонирования является выход
на поверхность земли при извлечении бетонолитной трубы незагрязнённого
бетона «шапкой» с крупностью заполнителя, соответствующей исходному
бетону при заполнении сваи.
«Стена
в
грунте»,
изготовленная
по
разрядно-импульсной
технологии (РИТ)
Последовательность изготовления набивных свай с использованием
электрогидравлического эффекта (сваи РИТ) состоит из следующих
операций: бурение лидерной скважины, заполнение скважины твердеющим
материалом, электроразрядная обработка скважины и установка армокаркаса
в свежеуложенную смесь. Первоначальный диаметр скважины 80 – 450 мм в
результате обработки серией разрядов увеличивается, в зависимости от
энергии разряда и гидрогеологических условий площадки, в 2 и более раз.
 После бурения скважины необходимо подготовить её забой для
изготовления свай-РИТ.
Возникающий
при
обработке
раствора
в
скважине
серией
высоковольтных электрических разрядов электрогидравлический эффект,
уплотняет окружающий грунт, снижает его пористость в зоне воздействия
ударного
импульса
и
формирует
тело
сваи.
Для
осуществления
электрического разряда в жидкости применяются специальные установки,
основным элементом которых является генератор импульсных токов (ГИТ),
включающий:
трансформатор,
выпрямитель,
накопитель
энергии,
24
коммутатор и блок управления. ГИТ соединяют с излучателем энергии,
установленным в скважине, заполненной литой бетонной смесью.
В процессе устройства тела сваи периодически доливают бетонную
смесь. Долив смеси производится после перемещения излучателя вверх на
новый горизонт.
Верхняя часть ствола сваи длиной 2,0 м не подвергается разрядно
импульсной обработке. Бетонную смесь на этом участке уплотняют
глубинным вибратором.
При устройстве «стены в грунте» из свай-РИТ на расстоянии менее 10
м от существующей застройки, необходимо контролировать динамическое
воздействие
разрядно-импульсной
обработки
на
грунт,
конструкции
фундаментов, несущие и ограждающие конструкции зданий.
«Стена в грунте», изготовленная по технологии струйной
цементации грунтов
Способ подразумевает применение энергии воды или раствора,
истекающих в виде высоконапорной струи из сопла специализированного
оборудования. После твердения раствора образуется новый материал –
грунтобетон, обладающий высокими прочностными и деформационными
характеристиками.
Работы начинаются с бурения лидерной скважины. При подъёме
буровой штанги в работу включают горизонтально направленную струю,
которая размывает грунт вокруг скважины. При одновременном подъёме и
вращении
штанги
монитора,
струя
размывает
грунт
и
образуется
вертикальное цилиндрическое тело, заполняемое твердеющим материалом. В
результате в грунте формируется вертикальная цилиндрическая конструкция,
способная, после набора прочности, воспринимать значительную внешнюю
нагрузку.
25
Различают 3 метода изготовления «стены в грунте» с использованием
струйной технологии:
 Jet1 – однокомпонетная технология, заключающаяся в размыве
грунта цементным раствором, образующем в грунте горизонтальную
каверну. При этом размытый грунт вместе с отработанным раствором
частично выносится на поверхность в виде пульпы, направляемой в
специальную траншею или зумпф. По мере подъёма монитора, часть
размытого вращаемой струёй грунта перемешивается с раствором и в грунте
образуется цилиндрическая полость, заполненная грунторастворной смесью.
 Jet2 – двухкомпонентная технология. На мониторе, монтируется две
насадки, через одну из которых подаётся раствор, а через другую – сжатый
воздух, создающий искусственный воздушный поток вокруг струи раствора.
В результате происходит суммирование кинетических энергий двух струй,
при котором воздушная струя способствует лучшему перемешиванию
раствора и разрушенного грунта.
 Jet3 – трёхкомпонентная технология подразумевает размыв грунта
водяной струёй в искусственном воздушном потоке с выносом размытого
грунта через скважину в составе водовоздушной пульпы, а закрепляющий
раствор подаётся в виде отдельной струи. В этом случае в грунт
дополнительно подаётся струя из воды под давлением 200 – 300 атм.
Плотность и прочность грунтобетона при однокомпонетной технологии
выше чем при двухкомпонетной и существенно выше чем при трёхкомпонетной. Это объясняется в основном тем, что при двухкомпонетной технологии в грунторастворной смеси остаётся много осевшего грунта, а при трёхкомпонентной технологии в состав твердеющей смеси попадает большое количество воды.
Сплошные стены, получаемые из грунтоцементных столбов, изготавливаемых с шагом, меньшим их диаметра, используются в качестве подпорных и разделительных стенок, а также ограждений котлованов типа «стена в
26
грунте». Для повышения жёсткости конструкции она может армироваться
отдельными стрежнями большого диаметра, пространственными арматурными конструкциями, металлическими трубами или прокатным профилем
(швеллер, двутавр), железобетонными сердечниками, в качестве которых используются забивные железобетонные сваи и проч.
Один из основных недостатков способа заключается в том, что из-за
необходимости промывки скважин и заполнения их водоцементной смесью,
место проведения работ обычно значительно обводнено и загрязнено поступающей из скважин глинисто-цементной пульпой.
При использовании указанной технологии необходимо учитывать, что
бурение осуществляется с промывкой скважин водой и выбросом пульпы на
поверхность грунта. Это приводит к обводнению грунтов, повышению уровня подземных вод и дополнительным деформациям окружающих зданий.
27
Лекция VI
Строительство подземных сооружений открытым способом
Полузакрытый способ строительства. Применение подвижной и инвентарной крепи. Опускные колодцы и кессоны
Полузакрытый способ строительства
Сущность полузакрытого способа работ заключается в том, что
первоначально
возводят
стены
подземного
сооружения,
вскрывают
поверхность земли до отметки низа перекрытия подземной части, устраивают
перекрытие, производят обратную засыпку котлована и затем разрабатывают
грунтовое ядро внутри объекта, возводят стены, колонны и межэтажные
перекрытия подземной части.
Способ подразделяется на следующие разновидности:
 «Сверху-вниз». Сущность способа заключается в том, что грунт
разрабатывают на высоту яруса и возводят междуярусное перекрытие; затем
цикл по необходимости повторяют. Преимущество схемы заключается в том,
что междуярусные перекрытия одновременно выполняют роль распорок,
обеспечивающих устойчивость стен.
 «Снизу–вверх» – одновременно с разработкой грунта расстрелами
или анкерами крепят стены. После разработки грунта на всю глубину
сооружения возводят междуярусные перекрытия в направлении снизу–вверх.
Преимущества схемы – простота работ по разработке грунта и возможность
применения
Основной
высокопроизводительного
недостаток
–
землеройного
необходимость
оборудования.
дополнительного
крепления
траншейных стен. Используется крайне редко.
 «Вверх-вниз» - является разновидностью способа «сверху-вниз» и
заключается в одновременном возведении подземной и надземной частей
здания.;
28
 Полу-полузакрытый способ строительства (semi top-down) —
предусматривает возведение нулевого цикла лишь частично под защитой
перекрытий, т.к. перекрытия в данном случае выполняются в виде дисков с
очень большими проемами, опирающихся по контуру на траншейные стены
и поддерживаемых промежуточными стальными буровыми колоннами. При
этом большая часть земляных работ выполняется открытым способом при
помощи экскаватора, меньшая — под защитой перекрытий. Сначала
возводится лишь часть несущих конструкций нулевого цикла по схеме
"сверху-вниз", затем уже конструкции нулевого цикла завершаются по
традиционной схеме "снизу-вверх", далее возводятся надземные этажи. Этот
способ применим на объектах, где необходимость снижения стоимости
строительства превалирует над его общей продолжительностью, и также
позволяет
минимизировать
влияние
строительства
на
окружающую
застройку.
Применение подвижной и инвентарной крепи.
При применении передвижной крепи подземные сооружения возводят
с помощью специальных щитов незамкнутого профиля, передвигающихся за
счет отталкивания от ранее собранной обделки. Они выполняют роль
временной передвижной крепи, предотвращающей обрушение породы при ее
разработке. Под защитой щита возводят обделку тоннелей. По мере его
продвижения и возведения обделки оставшееся пространство между
возведенной обделкой и поверхностью земли засыпают грунтом.
Передвижную
различного
крепь
назначения
применяют
(перегонных
при
строительстве
тоннелей
тоннелей
метрополитена,
автотранспортных и пешеходных тоннелей) и инженерных коммуникаций
глубиной заложения до 12 м протяжённостью более 50 – 100 м, с
цельносекционной обделкой, вблизи существующих зданий и сооружений, в
29
любых нескальных необводненных грунтах, за исключением неустойчивых
илистых или плывунных. При высоком УПВ работы производятся с
использованием искусственного водопонижения.
Технологический
цикл
работ
с
применением
подвижной
механизированной крепи включает в себя:
 разработку грунта экскаватором с погрузкой его в автосамосвалы;
 перемещение подвижной механизированной крепи и экскаватора с
засыпкой образовавшегося строительного зазора;
 устройство
дренажного
слоя
в
основании
и
монолитного
железобетонного днища,
 монтаж сборной цельносекционной обделки и её гидроизоляция;
 обратная засыпка выполненного участка.
Инвентарная крепь предназначена для укрепления стенок траншеи,
котлована,
шахты
при
прокладке,
ремонте
и
замене
инженерных
коммуникаций, а также строительстве фундаментов.
Крепь позволяет прокладывать трубы при минимальной ширине
траншеи и максимальной безопасности и скорости выполнения работ. В
зависимости от выполняемых работ применяется:
 камерная
щитовая
крепь
–
предназначена
для
прокладки
инженерных коммуникаций в траншее глубиной до 4 м;
 крепь с направляющими - предназначена для работы на глубине до
7.6 метра. Максимальная ширина работ - до 4 м;
 распорное крепление с направляющими и подвижной роликовой
распоркой – предназначено для строительства инженерных коммуникаций в
траншеях глубиной до 10 метров и шириной до 13 м;
 крепь со шпунтом Ларсена – предназначена для ведения работ на
участках пересечения с уже существующими коммуникациями. Крепь
представляет
устанавливать
собой
шпунт
специальной
Ларсена
в
формы
камеру,
вертикальном
которая
позволяет
положении
методом
30
задавливания
ковшом
экскаватора.
Шпунт,
под
которым
проходит
пересекаемый трубопровод, вдавливается только до его верхней точки, в то
время как остальные шпунтины вдавливаются до рабочей глубины траншеи.
Незакрепленный фрагмент грунта остаётся только под пересекаемой трубой.

гидравлическая безвибрационная крепь
– предназначена для
прокладки инженерных коммуникаций на глубине до 8 м в условиях плотной
городской застройки и вблизи памятников истории, культуры, архитектуры.
Опускные колодцы и кессоны
Опускным колодцем называется замкнутая в плане и открытая снизу и
сверху полая конструкция, бетонируемая или собираемая из сборных
элементов
на
поверхности
грунта
и
погружаемая
под
действием
собственного веса или дополнительной пригрузки, по мере разработки грунта
внутри её.
Сущность способа заключается в следующем: на специально подготовленной площадке на поверхности земли возводят стены будущего подземного сооружения. Затем внутри сооружения разрабатывают грунт и выдают его
за пределы сооружения. По мере выработки грунта сооружение погружается
под действием собственного веса или с помощью дополнительного пригруза.
Конструкция колодца состоит из:
1) ножа из монолитного железобетона. Конструкция ножевой части
должна обладать повышенной прочностью и распределять нагрузку от массы
колодца на грунт, обеспечивая устойчивость всего сооружения;
2) стен, в которых должны быть предусмотрены пазы, консольные выступы и закладные детали для последующего закрепления междуярусных перекрытий, инъекторов и манжет;
31
3) днищ, обычно изготавливающихся в виде сплошной плоской плиты из
монолитного железобетона. При необходимости следует предусмотреть
гнёзда для установки колонн и закладные детали для стен и перегородок.
При строительстве подземных сооружений опускным способом работы
проводят в следующей последовательности:
1. Устройство опоры под нож. Для небольших колодцев с малой первоначальной массой в качестве опоры под нож используются деревянные
подкладки на втопленной и насыпной песчаных подушках. Подкладки изготавливаются из круглых брёвен, брусьев или железнодорожных шпал, укладываемых на песчаную или песчано-гравийную подушку с заглублением на
0,5 диаметра. Для крупных опускных колодцев или при бетонировании колодцев на слабых грунтах, опоры сооружаются из песчано-гравийных призм
или деревянных опор-подмостей на щебёночном основании. Нож колодца
бетонируется в распор в подготовленной траншее.
2. Устройство стен. При бетонировании стены колодца разбивают на
ярусы, а каждый ярус на блоки. Высота яруса определяется условиями допустимого удельного давления на грунт под ножевой частью колодца. Стены,
бетонируемые на месте производства работ, армируются каркасами или заранее изготовленными блоками. В качестве опалубки устанавливают тонкостенные железобетонные блоки или инвентарную опалубку.
Для снижения сил трения и обеспечения устойчивости массива в
процессе погружения используется тиксотропная рубашка, представляющая
собой глинистый раствор (бентонитовую суспензию), заполняющий зазор
между грунтом и стенами колодца. При опускании колодца в тиксотропной
рубашке перед началом погружения устраивают форшахту.
3. Устройство днища. С этой целью достаточно часто применяют подводное бетонирование, используя метод вертикально перемещающейся трубы или восходящего раствора.
32
Лекция VII
Строительство вертикальных выработок
Основные типы вертикальных выработок и методы их возведения. Проходка устья ствола и технологического отхода.
Основные типы вертикальных выработок и методы их возведения
Стволом называется вертикальная выработка, предназначенная для
технологической связи подземного сооружения с поверхностью. Стволы
подразделяются на разведочные, шахтные и специальные (лифтовые, вентиляционные, вспомогательные и проч.). Срок службы стволов определяется их
назначением. Стволы, предназначенные для строительства подземного сооружения ликвидируются по завершении строительно-монтажных работ. Если ствол применяется для обслуживания подземного объекта, то срок его
службы соответствует времени эксплуатации сооружения. В большинстве
случаев стволы стараются использовать и для строительства и для эксплуатации сооружения.
По форме поперечного сечения стволы подразделяются на:
 Круглые. Используются наиболее часто. Такая форма поперечного
сечения повышает устойчивость стен, позволяет механизировать выполнение
основных
технологических
процессов,
снижает
коэффициент
аэродинамического сопротивления. Для крепления используется бетон,
железобетон, бетонные и чугунные блоки и тюбинги.
 Прямоугольные. Применяются при геологоразведочных работах. В
основном имеют деревянную крепь и незначительные сроки службы.
Размер поперечного сечения ствола определяется его назначением,
скоростью движения воздуха и техническим оснащением:
 размером подъёмных сосудов, размещаемых в стволе;
 размером элементов армировки (расстрелов и проводников);
33
 зазорами между обделкой, подъёмными сосудами и элементами
армировки, установленными «Правилами безопасности при строительстве
метрополитенов и подземных сооружений»;
 размерами лестничного и кабельно-трубного отделения.
В горнодобывающей промышленности в основном используются стволы диаметром от 4 до 9 м в свету, в горно-химической промышленности – 6 –
7,5 м, при строительстве транспортных и гидротехнических сооружений 4,5 –
15 м, в промышленном строительстве – до 40 м.
Глубины стволов колеблются от 10 – 40 м для коллекторных тоннелей
и 20 – 80 для тоннелей метрополитенов до 2500 м – в горнодобывающей
промышленности.
Проходка устья ствола и технологического отхода.
Оборудование подъёма
По глубине ствол принято разделять на несколько частей:
 устье – верхняя часть ствола от дневной поверхности до коренных
(т.е. не затронутых разрушением) пород глубиной 10 – 30 м. Обделка устья
одновременно служит фундаментом для надшахтного строения;
 технологический отход – участок ствола на глубину около 60 – 80 м,
предназначенный для монтажа в стволе комплекса горнопроходческого оборудования (подвесной полок, погрузочные машины, призабойную опалубку и
т.п.), редназначенного для последующей проходки;
 звенья глубиной 10 – 40 м каждое, на границе между которыми
устраивают опорные венцы для поддержания обделки звена. На уровне соединения ствола с горизонтальными выработками оборудуют сопряжения;
 зумпф – нижняя часть ствола, предназначенная для сбора воды, поступающей в ствол, улавливания грунта и строительных материалов, просыпающихся при подъёме.
34
Устье ствола и технологический отход сооружают во время подготовительного периода.
Устье состоит из оголовка, средней части и опорного венца. Диаметр
устья равен диаметру ствола в свету. Глубина устья определяется глубиной
расположения плотных пород, в которых закладывается опорный венец.
Для проходки устья обычно используется последовательная технологическая схема:
 сооружается оголовок,
 устанавливается рама-шаблон,
 монтируется оборудование подъёма,
 вынимается порода на глубину устья с возведением временной крепи,
 разбирается порода для устройства опорного венца,
 снизу-вверх возводится бетонная или железобетонная обделка.
При строительстве оголовка порода вынимается экскаватором или
бульдозером. Затем устанавливают опалубку и бетонируют оголовок.
В средней части устья, разработку породы могут вести отбойными молотками, пневмоломами или буровзрывным способом.
Обделку устья возводят снизу вверх после сооружения опорного венца.
По окончании возведения устья на поверхности монтируют оборудование проходческого подъёма: копёр с нулевой рамой и разгрузочным станком,
подъёмную машину, тихоходные проходческие лебёдки, бадьи и подвесной
полок.
35
Лекция VIII
Строительство вертикальных выработок
Технологические схемы строительства вертикальных выработок. Буровзрывной способ строительства
Технологические схемы строительстве вертикальных выработок
Технологическая схема строительства обуславливает взаимосвязь во
времени и пространстве выполнение основных проходческих операций (выемка породы, возведение обделки и т.п.) и армирования ствола.
Существуют две основные технологические схемы:
1. с последующим армированием ствола – ствол проходят на полную
глубину и затем армируют;
2. с параллельным армированием ствола монтаж элементов армировки
ведётся параллельно с проходкой.
Разработка вертикальных шахт может вестись как сверху вниз, так и
снизу вверх, как на полное сечение, так и с помощью направляющей шахты.
Проходка вертикальных выработок в направлении снизу вверх производится в тех случаях, когда имеется возможность подхода к оси шахты с нижнего горизонта.
При проходке шахт диаметром более 5 м возможно применение комбинированного способа, когда сначала проходят направляющую шахту малого
сечения снизу вверх, а затем её расширяют до проектного профиля сверху
вниз, сбрасывая разработанную породу через направляющую шахту.
Оба способа (снизу вверх и комбинированный) предусматривают уборку разработанной породы с нижнего горизонта, что позволяет существенно
повысить скорость проходки.
Различают следующие технологические схемы строительства:

Последовательная – ствол шахты разбивается на отдельные заходки, в
36
каждой из которых последовательно выполняют работы по разработке и извлечению породы, установке временной крепи и возведению обделки.

Параллельная – выемка породы и возведение обделки производится од-
новременно в двух смежных заходках. В этом случае бурение, взрывание зарядов и уборка грунта в каждой последующей заходке начинаются только
после завершения возведения обделки на предыдущей заходке.

Совмещённая схема позволяет выполнять все работы по извлечению
породы и возведению обделки за один проходческий цикл.
Каждой схеме соответствует определённый набор проходческого оборудования, размещаемого стволе и на поверхности.
Буровзрывной способ строительства
Буровзрывные работы проводятся для разрушения породного массива в
забое ствола. Они включают: бурение шпуров, их заряжание и взрывание зарядов в шпурах. При проведении БВР необходимо стремиться к разрушению
породы в пределах проектного контура поперечного сечения ствола с минимальными переборами; взрывание, по возможности, должно производиться
на полную глубину шпура, с обеспечением минимального выброса кусков
породы вверх при взрыве. Равномерное разрушение породы, с получением
кусков определенного размера, позволяет обеспечить максимальную производительность погрузки.
При проходке стволов применяется колонковая конструкция заряда с
прямым или обратным инициированием.
Расположение шпуров в забое определяется свойствами породы, размерами и формой поперечного сечения ствола, числом шпуров, типом бурильного оборудования и др. факторами.
Бурение могут проводить ручными бурильными машинами ударного
действия и бурильными установками.
37
Проветривание ствола производят с целью обеспечения нормальных
санитарно-гигиенических условий труда.
Стволы провариваются нагнетательным способом по одной из трёх
схем:
- с подачей свежего воздуха по трубам;
- сквозной струи;
- с использованием продольной перемычки.
После проветривания ствола в забой спускаются взрывник и горный
мастер, осматривают забой, проверяют качество взрыва, наличие невзорвавшегося ВВ, повреждение крепи и обделки ствола, машин и механизмов. Затем в ствол спускаются проходчики, устраняют повреждения, спускают необходимое оборудование, наращивают ставы труб вентиляции, сжатого воздуха, бетонопровода, опускают подвесной полок, поднятый на время взрыва
и подготавливают к работе породопогрузочную машину.
Погрузка разработанного грунта – это один из наиболее трудоёмких
процессов проходческого цикла, занимающих до 40 % времени цикла. Для
погрузки разработанного грунта используются подвесные грейферные машины с ручным или механизированным вождением, шахтные экскаваторы и самоходные ковшовые погрузочные машины.
Для крепления стволов может применяться монолитный бетон и железобетон, кирпич, чугунные и железобетонные тюбинги, набрызгбетон и дерево.
Набрызгбетон может применяться как для временного, так и для постоянного крепления стен выработки. Сущность возведения набрызгбетонной крепи заключается в следующем: в бетономешалке готовится сухая
смесь из цемента, песка и щебня. Эта смесь подаётся в набрызгбетоную машину, из которой с помощью сжатого воздуха перемещается в сопло. Одновременно по второму шлангу в сопло подаётся вода. Из сопла затворённая
водой смесь выходит со скоростью до 10 м/с и наносится равномерным слоем
38
на породные стенки ствола. При необходимости, поверх первого слоя наносится второй. Толщина слоя составляет 5 – 7 см. Смесь может применяться
совместно с анкерной крепью и (или) металлической сеткой.
В том случае, когда возводится комбинированная крепь из набрызгбетона и анкеров и (или) металлической сетки, работы ведутся в следующей
последовательности: после выемки породы в забое ствола устанавливают анкера и проволочную рулонную сетку. Набрызгбетон наносится с подвесного
полка.
Наибольшее распространение имеют обделки из монолитного бетона
или железобетона.
Комплекс работ по возведению бетонной обделки состоит из приготовления бетонной смеси, её транспортировки к стволу, спуска в ствол и укладки за опалубку.
При возведении бетонной обделки используют деревянные, инвентарные и передвижные металлические опалубки.
Сборные обделки в основном возводятся способом подращивания.
Сущность способа заключается в следующем: в пионерном котловане устраивается кольцевая подпорная стена (воротник) и выполняется обратная засыпка. Затем внутри воротника разрабатывается грунт на глубину первой захватки. К предварительно выпущенным из воротника болтам подвешиваются
чугунные или железобетонные тюбинги. Далее, разрабатывают грунт на глубину второй захватки и подвешивают на болтах второй ряд тюбингов. В застенное пространство между тюбингами и грунтом через специальные отверстия в тюбингах нагнетают цементный раствор. Далее работы ведутся в описанной последовательности до достижения проектной отметки, после чего
бетонируют днище. Этот способ применяется в скальных и полускальных
грунтах, позволяющих разрабатывать котлован с вертикальными откосами на
глубину хотя бы одной захватки.
39
Лекция IX
Строительство вертикальных выработок
Проходка вертикальных стволов с использованием стволопроходческих
комбайнов
В скальных грунтах используется стволопроходческий комбайн, подвешивамый в стволе через гидроуравнительную систему на лебёдках к проходческому копру. Все основные механизмы комбайна располагаются на
трёхэтажном каркасе.
Комбайн оборудован механическим двухдисковым планетарным рабочим органом с резцами и шарошками, позволяющими разрабатывать породу
с f  13. Рабочий орган опускается на величину заходки с помощью механизма принудительной подачи. Диски исполнительного органа расположены под
углом друг к другу, что образует коническую форму забоя, в центре которого
скапливается разрушенная порода в виде пульпы. Пульпа засасывается пневмоэлеватором и подаётся в бункеры, расположенные в каркасе комбайна, откуда она перегружается в скипы и выдаётся на поверхность.
На время разрушения породы комбайн неподвижен и фиксируется распором из гидравлических домкратов в породу и лыжами в обделку.
Одновременно с разрушением породы возводят обделку.
Комбайн снабжён телескопическими подъёмниками, предназначенными для механизации процесса наращивания ставов труб бетоновода, сжатого
воздуха, водоотлива и вентиляции.
Для управления комбайном используется пульт, находящийся на втором этаже каркаса. Для проходки по наиболее опасным участкам, комбайн
снабжён системой дистанционного управления с поверхности.
Достоинства метода: комплексная механизация всех технологических
процессов проходки и почти полное совмещение их во времени, устранение
тяжёлого физического труда проходчиков, повышение скорости проходки до
40
100 – 170 м/мес готового ствола.
Для механизированной проходки вертикальных выработок снизу вверх
используется специальный комбайн, состоящий из бурового станка и исполнительного органа (разбуривателя). Первоначально буровым станком бурится вертикальная скважина, затем к штанге крепится разбуриватель, который,
вращаясь, разбуривает выработку. Диаметр разбуривателя достигает 7 м,
глубина бурения ствола – до 1300 м.
Для механизированной проходки стволов в нескальных грунтах используются механизированные проходческие комплексы, состоящие из шагающей опалубки, ножа – уплотнителя, оборудования для подачи бетона за
опалубку и экскаватора типа Поклен.
Разработка грунта ведётся на глубину одной заходки от центра ствола к
периферии, с оставление во периферии бермы шириной 0,2 – 0,3 м. Берма
срезается ножом-уплотнителем.
К концу разработки грунта бетон в предыдущей заходке достигает расчётной прочности, от него отрывают опалубку и перемещают её на следующую заходку. В качестве поддона опалубки используется нож – уплотнитель.
Затем производится бетонирование стен с одновременным уплотнением бетонной смеси вибраторами.
При проходке стволов в глинистых грунтах используются шагающие
комплексы состоящие из ножа, секционной опалубки, ковшевой погрузочной
машины, бурильной машины, проходческого полка и пульта управления.
Комплекс может работать по двум технологическим схемам: с выдачей
породы на поверхность в бадьях или со спуском разработанной породы через
передовую скважину.
Отличительная особенность таких комплексов состоит в возможности
применения как механизированного, так и буровзрывного способов проходки.
41
Лекция X
Строительство вертикальных выработок
Строительство стволов бурением
Способ бурения стволов заключается в том, что с помощью специального оборудования осуществляют непрерывное разрушение породы и выдачу
её на поверхность с помощью непрерывной циркуляции бурового раствора,
заполняющего ствол. Ствол на полный диаметр разрабатывается в несколько
фаз ступенями до полного диаметра. Первоначально на полную глубину
ствола бурится передовая скважина, которую затем сверху вниз, постепенно,
в несколько фаз расширяют. После того как ствол будет разбурен на полный
диаметр, под защитой бурового раствора возводят обделку. Затем из ствола
удаляют буровой раствор и проводят работы по гидроизоляции.
Технология строительства стволов с применением способа бурения
включает в себя:
- подготовительные и вспомогательные работы;
- разрушение породы буровой машиной;
- очистку забоя ствола от разрушенной породы;
- возведение обделки выработки;
- гидроизоляцию ствола.
Подготовительные и вспомогательные работы включают:
1. Проходку устья ствола.
2. Монтаж буровой установки.
Строительство зданий и сооружений для обслуживания буровой
установки.
Принцип
работы
установки
реактивно-турбинного
бурения
заключается в следующем. После проходки ствола и монтажа необходимого
оборудования, в ствол опускают буровую колонну с забойным агрегатом.
Для вращения турбобуров в траверсу агрегата нагнетают промывочную
42
жидкость. Из траверсы промывочная жидкость подаётся в турбобуры и
приводит их в движение.
Наиболее часто используются следующие схемы промывки:
1. Прямая: промывочная жидкость через вертлюг и буровую колонну
нагнетается в бур. Выходя через сопла бура, жидкость омывает забой, смывая
разрушенную породу, и поднимается по стволу на поверхность.
2. Обратная: жидкость поступает в ствол и перемещается вниз в
призабойную зону. Омывая забой ствола и буровой инструмент, раствор,
содержащий разбуренную породу, поступает в буровую колонну, откуда
удаляется эрлифтом.
3. Совмещённая: при этой схеме применяют двойную буровую
колонну.
4. Периодическая. В течение первых двух-трёх часов бурения
применяют прямую схему, затем включают эрлифт и производят промывку
по обратной схеме.
В качестве обделки ствола применяют чугунные и железобетонные
тюбинги и металлобетонную крепь, состоящую из металлических обечаек с
бетонным заполнением между ними.
По технологии производства различают:
- возведение обделки на плаву. При этом на платформе собирают
днище сооружения, на котором монтируют секцию тюбингов высотой 3 – 4
м. Затем, платформу устанавливают под стволом и опускаю секцию в ствол,
заполненный глинистым раствором, до тех пор, пока она не начнёт плавать.
Далее конструкцию наращивают отдельными секциями. После возведения
обделки выполняют тампонаж заобделочного пространства;
- погружной секционный способ заключается в том, что в ствол,
заполненный глинистым раствором опускают секцию обделки высотой 4 – 5,
омоноличивают и возводят днище выстой 2 – 3 м. Затем конструкцию
наращивают в направлении снизу вверх отдельными секциями.
43
Лекция XI
Строительство горизонтальных и наклонных подземных сооружений закрытым способом
В практике подземного строительства, в зависимости от физикомеханических свойств грунтов, размеров и формы поперечного сечения
подземного сооружения применяются три способа проходки: щитовой,
буровзрывной и механизированный (комбайновый). В мягких грунтах с 2 
fкр < 4 в основном применяют щиты, продавливающие установки и комбайны,
в грунтах средней крепости (4  fкр < 6) и крепких (fкр > 6) – буровзрывной и
комбайновый способы.
Конкретную технологическую схему ведения проходческих работ
выбирают в зависимости от метода разработки сечения, с учётом его
размеров и технологической связи между процессами разрушения грунтового
массива, погрузки разработанного грунта, его транспортировки и возведения
обделки.
Буровзрывной способ строительства.
Сущность буровзрывного метода заключается в том, что по всей площади забоя в определённой последовательности забуриваются шпуры, в которые помещают заряды взрывчатого вещества (ВВ). В результате взрыва заряда ВВ порода разрушается и забой продвигается вперёд на одну заходку.
Разработанный грунт грузят в транспортные средства и вывозят на поверхность. После вывоза грунта производят временное и (или) постоянное крепление выработки.
При буровзрывном способе строительства используется пять основных способов
раскрытия сечения:
44

Метод сплошного забоя, предусматривающий разработку поперечного
сечения туннеля за один приём, с установкой крепи и последующим возведением обделки.
Уступный метод: поперечное сечение выработки разделяется на отдельные элементы с последовательной проходкой этих элементов на полное сечение.
 Метод опёртого свода предусматривает первоначальное устройство
свода выработки с последующей разработкой по его защитой подсводового пространства.
 Метод опорного ядра предусматривает возведение стен, свода, разра-
ботку основного массива, разработку и бетонирование лотка.
 Метод раскрытия на полный профиль по частям. В этом случае про-
изводится последовательная разработка выработки под защитой крепи.
Бетонирование производится после полного раскрытия выработки.
Бурение шпуров осуществляют ручными, колонковыми электросвёрлами и перфораторами, а также бурильными установками.
Схема расположения шпуров в забое определяется крепостью, трещиноватостью, напластованием пород, размером и формой поперечного сечения, глубиной и числом шпуров, конструкцией заряда шпура и типом ВВ.
Ядовитые газы, образовавшиеся при взрыве зарядов ВВ, необходимо
удалить из выработки в течение 30 мин.
Для проветривания выработок используют вентиляторы местного проветривания и общешахтную депрессию.
Погрузка грунта обычно производится механизированным способом с
применением специальных погрузочных машин и тоннельных экскаваторов.
Удаление
разработанного
грунта
производится
призабойным
транспортом,
включающим: ленточные конвейеры, вагонетки, бункер-поезда, саморазгружающиеся
большегрузные вагонетки и автотранспорт.
Для закрепления выработки используется контурная крепь:
45
 Арочная: изготавливается из металлических прокатных профилей,
изогнутых по контуру выработки. Арки опираются на грунт через специальные прокладки и раскрепляются между собой распорками. Пространство между арками закрывается досками, тонкими железобетонными плитами или стальными гофрированными листами.
 Анкерная. Анкеры располагаются в пробуренных по периметру выра-
ботки шпурах, «подвешивая» нарушенный участок к ненарушенному массиву, тем самым образуется несущий свод, воспринимающий давление
вышерасположенных слоёв грунта.
 Набрызг-бетонная – покрытие из набрызг-бетона имеет достаточно
высокую несущую способность и путём взаимодействия с окружающим
массивом значительно ограничивает деформации контура выработки. При
этом набрызг-бетон сглаживает неровности контура, снижает концентрации напряжений, закрепляет трещины, что позволяет создать несущий
свод.
 Комбинированная крепь включает совместное использование арок и
анкеров, арок и набрызг-бетона, анкеров и набрызг-бетона и т.п.
Обделку выработки возводят из монолитного бетона или железобетона,
из бетонных или чугунных блоков или тюбингов. Нередко используется обделка из набрызг-бетона и анкеров.
На практике применяют три схемы возведения монолитной бетонной
обделки:
1. Параллельная. Работы по возведению обделки полностью совмещают с бурением шпуров и погрузкой породы. Обделку возводят на расстоянии
30 – 50 м от забоя. Пространство между забоем и обделкой закрепляют крепью.
2. Последовательная. Работы выполняются последовательно – проводят выработку (полностью или участок длиной 15 – 30 м), затем проходку
останавливают и возводят обделку.
46
3. Совмещённая. Бетонную обделку возводят в призабойной части с
отставанием от забоя на 3 – 5 м. Бетонирование частично совмещают с бурением шпуров и погрузкой породы.
Комплекс работ по возведению бетонной обделки включает: монтаж и
демонтаж опалубки, доставку бетонной смеси к месту проведения работ и её
укладку за опалубку.
Для возведения монолитной бетонной и железобетонной обделки чаще
всего используется инвентарная передвижная телескопическая или сборноразборная опалубка.
Бетонная смесь с поверхности земли транспортируется к месту укладки
в вагонетках и в специальных бетоновозах.
Бетонную смесь укладывают за опалубку ручным или механизированным способом с применением пневматических бетоноукладчиков и бетононасосов.
Набрызгбетонную крепь наносят на обнажённую породную поверхность под действием направленного воздушного потока. По способу подачи
бетонной смеси, набрызгбетонные машины подразделяют на машины для сухого и мокрого бетонирования. В первом случае, смесь подают по трубопроводу до места проведения работ в сухом виде и затворяют непосредственно
перед укладкой в камере смешения машины. Во втором случае, смесь подаётся уже затворённая водой.
Сборную железобетонную обделку возводят по двум схемам:
1. Последовательной – тюбинги устанавливают по кругу, начиная с
одного борта выработки и заканчивая на другом.
2. Параллельной – тюбинги устанавливают поочерёдно с обоих бортов. Последний тюбинг устанавливают в замке свода.
47
Лекция XII
Строительство горизонтальных и наклонных подземных сооружений закрытым способом
Щитовой способ строительства. Механизированная проходка тоннелей.
Сущность способа заключается в том, что все основные операции по
разработке и погрузке породы и возведению обделки производят под
защитой конструкции щита, выполняющего роль временной металлической
крепи. Щит располагается в забое выработки и передвигается по мере
проходки.
Конструктивно щит состоит из: ножевого кольца, опорного кольца,
хвостовой части, щитовых домкратов, забойных домкратов, выдвижных
платформ, вертикальных и горизонтальных перегородок. В хвостовой части
возводят обделку. Монтаж сборной обделки при щитовой проходке
производят блоко- и тюбингоукладчиков.
Основные работы проходческого цикла при щитовой проходке
включают:
- подготовительные операции;
- разработка массива;
- погрузка разработанной породы;
- её транспортировка.
К подготовительным работам относится:
- проходка ствола или камеры или монтаж подсобных помещений;
- монтаж механизмов для проходки;
- подводка воды и электроэнергии;
- опускание щита с вводом его в забой;
- оборудование
ствола
или
камеры
подъёмным
устройством,
лестницами и т.п.
48
При необходимости устанавливают оборудование для водопонижения,
водоотлива и вентиляции.
Наиболее ответственная операция подготовительного периода – ввод
щита в забой. Он производится из ствола, камеры или с открытого портала.
По способу разработки грунта щиты подразделяются на немеханизированные и механизированные.
К немеханизированным относят щиты, у которых отсутствуют какиелибо специальные органы воздействия на забой для разрушения массива.
При немеханизированном способе разработка грунта производится ручными
инструментами,
отбойными
молотками,
пневматическими
лопатами,
буровзрывным способом или путём вдавливания в породу ножевого кольца.
К механизированным относят щиты, в которых разрушение породы в
забое производится с помощью специального рабочего органа. В этом случае
все
процессы,
связанным
с
разработкой
и
погрузкой
породы,
её
транспортировкой и процесс возведения обделки механизированы.
При разработке породы в забое используются рабочие органы
следующих типов – роторный, планетарный, избирательного действия,
качающийся, экскаваторный, в виде комбинированных площадок.
При механизированной проходке в сложных инжнерно-геологических
и гидрогеологических условиях могут применяться щиты с пригрузом забоя.
Вид пригруза подразделяется на воздушный (аэрационный), механический,
суспензионный (бентонитовый), пеногрунтовый либо комбинированным.
Способ погрузки и транспортировки породы определяется типом щита
и
применяемым
рабочим
органом.
В
немеханизированных
щитах
разработанную породы грузят автономными погрузочными машинами в
вагонетки.
В
механизированных
щитах
используются
конвейеры
и
погрузочные органы с нагребающими лапами.
49
Обделки, возводимые при строительстве тоннелей щитовым способом,
подразделяются на сборные и монолитные (из монолитно-прессованного
бетона).
Возведение сборной обделки включает в себя: разгрузку блоков или
тюбингов, их подачу на блокоукладчик, и непосредственно монтаж
элементов.
 В некоторых случаях, для обеспечения максимально плотного
контакта обделки с грунтов сборные обделки обжатые в грунт.
Монолитно-прессованную обделку получают путём обжатия в осевом
направлении за счёт реактивных усилий щитовых домкратов бетонной смеси,
уложенной в специальную опалубку. Обжатые монолитные обделки
характеризуются отсутствием швов, высокой плотностью, прочностью и
водонепроницаемостью. Применение такого рода обделки обеспечивает
плотный контакт обделки с окружающим массивом, что исключает
необходимость тампонажа, гидроизоляционных работ, предотвращает осадки
поверхности земли.
При щитовой проходке совмещают основные процессы проходческого
цикла: разработку забоя, уборку породы и монтаж обделки.
50
Лекция XIII
Строительство горизонтальных и наклонных подземных сооружений закрытым способом
Гидроизоляция и дренаж. Вспомогательные работы.
Тампонажные и гидроизоляционные работы
Тампонаж и гидроизоляцию в основном производят при использовании
сборных обделок.
Тампонаж осуществляют путём нагнетания в зазор между породой и
обделкой тампонажного раствора. В качестве материала для нагнетания
обычно применяют цементно-песчаные растворы.
Различают первичное, повторное и контрольное нагнетание. Первичное
нагнетание производят пневматическими нагнетателями под давлением до
0,5 МПа, а контрольное – растворонасосами высокого давления.
Гидроизоляционные работы предназначены для снижения остаточных
притоков воды в тоннель, обеспечения его надёжной эксплуатации,
повышения надёжности и долговечности. Водонепроницаемость блоков
обеспечивается покрытием их наружной поверхности водозащитным слоем
или расположением гидроизоляционного экрана в виде полиэтиленовой
полосы в теле самих блоков. Работы по гидроизоляции в основном
заключаются в герметизации швов между блоками и тюбингами, болтовых
отверстий и отверстий для нагнетания путём чеканки швов. Она
производится при помощи специальных замазок или шнуров, уплотняемых
пневматическими чеканочными молотками. Материалом для уплотнителя
служат:
расширяющиеся,
водонепроницаемые
быстротвердеющие
безусадочные
цементы,
расширяющиеся,
освинцованный
шнур,
полимерные смолы, быстросхватывающийся уплотняющий состав.
51
Вспомогательные работы включают прокладку трубопроводов и кабелей, оборудование освещения, маркшейдерское обслуживание и др. работы.
Водоотводные канавки предназначены для стока воды по выработке от
забоя. Канавки устраивают следующим образом: в месте её расположения
бурят один или два наклонных шпура, взрывают заряд, разрушающий породу, дорабатывают поперечное сечение до проектных размеров с помощью
отбойных молотков.
Настилка рельсовых путей. Рельсовые пути состоят из верхнего и
нижнего строений. В верхнее строение входят: балласт, шпалы, рельсы и
крепёжные материалы. Нижнее строение – почва выработки. Работы по
настилке рельсового пути включают: установку отвесов в продольной оси
пути, отметка реперов горизонтальной планировки, раскладку шпал на 3 – 4
звена рельсов, укладка рельсов на подкладках, крепление рельсов к шпалам,
засыпку балласта, рихтовку шпал по горизонтальным реперам.
Монтаж трубопроводов и кабелей различного назначения. Для подвески трубопроводов нередко используют трубоукладчик. Кабели, подвешиваемые в забое, подразделяют на силовые и слаботочные. Силовые кабели
подвешивают с противоположной от трубопроводов стороны, слаботочные –
на расстоянии 30 – 40 см над трубопроводами.
Маркшейдерское обеспечение направлено на выполнение комплекса
работ по геометрическому обеспечению строительства в соответствии с технической проектной документацией. При ведении проходческих работ геодезическо-маркшейдерская служба обеспечивает:
- контроль соответствия строительства проекту, календарным планам,
объёмам и скоростям;
- задание проектных направлений и уклонов сооружения;
- систематическую проверку направления, уклона, профиля и размеров сооружения;
52
- выполнение ежемесячных маркшейдерских замеров и контрольный
учёт объёмов выполненных работ;
- ведение обязательного комплекта геодезической и маркшейдерской
документации.
53
Лекция XIV
Строительство горизонтальных и наклонных подземных сооружений закрытым способом
Комплексная механизация при проходке подземных сооружений. Способы бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций.
При строительстве подземных сооружений в стеснённых городских
условиях, под железными и автомобильными дорогами, в непосредственной
близости
от
фундаментов
наземных
сооружений,
коммуникаций
и
коллекторов применяют способы бестраншейной прокладки. Эти способы
включают:
-
Пневмопробойники. Используются при прокладке инженерных
коммуникаций через автомобильные и железные дороги на расстояния до 50
м и на глубине до 5 м. Корпус пневмопробойника является рабочим органом,
образующим скважину, а ударник, размешенный в корпусе, совершает под
действием сжатого воздуха возвратно-поступательные движения и наносит
удары по переднему торцу корпуса, забивая его в грунт.
-
Прокол. При применении этого метода, производится внедрение в
грунт трубы с помощью домкратов и направляющих установок без удаления
грунта из скважины. Скважины образуются за счёт уплотнения грунта, что
требует приложения значительных усилий при подачё труб в забой, поэтому
диаметр труб не должен превышать 500 мм, а длина прокола – 60 м.
-
Горизонтальное
бурение.
В
массиве
бурят
горизонтальную
скважину, в которой одновременно или сразу после бурения прокладывают
трубы. Работы выполняются в три этапа: бурение пилотной скважины,
последовательное расширение скважины и протягивание трубопровода.
-
Гидропрокол – заключается в использовании кинетической энергии
струи воды, выходящей под давлением из расположенной впереди трубы
специальной конической насадки. Гидропрокол целесообразно применять
54
при бестраншейной прокладке труб через различные грунтовые преграды,
при достаточной обеспеченности водой и наличии необходимых мест для
сброса пульпы вблизи места производства работ. Способ применяется в легко
размываемых песчаных и супесчаных грунтах.
-
Продавливание. Способ основан на последовательном вдавливании
в грунт звеньев труб со сваркой, разработкой грунта внутри трубы и
удалением его через трубу. При применении специальных установок
возможно продавливание железобетонных конструкций диаметром 3 м и
более и длиной до 400 м. При продавливании обделок на длину свыше 150 –
200 м применяют несколько промежуточных домкратных установок.
-
Микротоннелирование. Сущность способа состоит в том, что
проходка в грунте осуществляется проходческим щитом, поступательное
движение которого обеспечивает домкратная станция, установленная в шахте
на глубине, соответствующей требуемой глубине прокладки трубопровода.
Усилие домкратной станции передаётся проходческому щиту через став
железобетонных труб, который наращивается по мере продвижения щита.
55
Лекция XV
Специальные способы строительства подземных и заглублённых сооружений
Строительство подземных сооружений в стесненных условиях современного города обычно случаев сопровождается мероприятиями по обеспечению устойчивости грунтового массива, а также прилегающих зданий, подземных сооружений, коллекторов инженерных коммуникаций и т.п.
По условиям пересечения водонасыщенных грунтов все специальные
способы работ обычно подразделяются на три группы:
1. cтроительство с применением способов разработки водонасыщенных грунтов, не требующих изменения их физико-механических свойств
(опускные колодцы, «стена в грунте» и т.п.);
2. строительство с применением способов, снижающих подвижность
водонасыщенных грунтов на период строительства (кессоны, водопонижение, замораживание);
3. закрепление грунтов инъекцией.
Искусственное водопонижение и водоотлив.
Искусственное понижение УПВ является одним из наиболее эффективных средств осушения грунтового массива и предотвращения водопритока в котлован. Оно предусматривается для устранения или ослабления
разупрочняющего и разрушающего воздействия подземных вод на грунты,
снижения или устранения фильтрационного давления.
Сущность метода заключается в том, что по периметру котлована располагаются водопонижающие скважины, из которых непрерывно откачивают
воду, в результате чего образуется депрессионная поверхность и УПВ оказывается ниже подошвы сооружения. Водопонижающие установки работают
56
весь период строительства, обеспечивая постоянный уровень грунтовых вод.
Радиус и глубина депрессионной воронки зависят от мощности водоносного
слоя, коэффициента фильтрации и интенсивности откачки.
При проектировании системы водопонижения необходимо предусмотреть меры по предотвращению разуплотнения грунтов и нарушению устойчивости откосов котлована и оснований расположенных рядом сооружений.
При устройстве заглубленных в водоносный слой и достаточно протяженных
подземных сооружений возможен барражный эффект, в результате которого
поднимается уровень подземных вод с верховой стороны и снижается – с низовой стороны. В качестве мероприятия по устранению последствий барражного эффекта обычно используются дренаж и противофильтрационные завесы.
Способы водопонижения определяются глубиной котлована, технологией строительства, фильтрационными свойствами грунтов и отличаются
принципом отбора воды из грунта, конструкцией водопонижающих скважин,
видом насосного оборудования и т.п.
В зависимости от инженерно-
геологических и гидрогеологических условий строительства различают следующие способы водопонижения:
 поверхностный;
 из подземных выработок;
 комбинированный.
Открытый водоотлив применяют для поддержания котлована в осушенном состоянии в грунтах, устойчивых против фильтрационных деформаций. В этом случае подземные воды, просачиваясь через откосы и дно котлована, поступают в водосборные канавы и по ним в приямки (зумпфы), откуда
вода откачивается насосами.
В зависимости от типа и расположения водопонизительных устройств
относительно строящегося сооружения могут применяться следующие схемы
водопонижения:
57
 линейная
–
водопонизительные устройства располагаются в ряд по
одной линии;
 контурная – водопонизительные устройства располагаются по контуру, огибающему сооружение;
 кольцевая – при замкнутом контуре расположения водопонизительных устройств;
 ярусная – при расположении водопонизительных устройств в несколько ярусов по глубине котлована.
По времени проведения мероприятий, направленных на снижение УГВ,
различают:
 предварительное водопонижение – заблаговременное полное или
частичное снижение УГВ для создания безопасных условий ведения строительных работ. Водоприёмные устройства располагаются за пределами контура сооружаемого объекта. Время опережения водопонижения определяют
расчётом по условиям формирования депрессионной воронки необходимого
размера;
 параллельное водопонижение проводят при незначительном притоке
грунтовых вод в выработку или котлован. В этом случае водопонижение
осуществляют параллельно со строительными работами.
При понижении УПВ до 5 м в неслоистых грунтах с коэффициентом
фильтрации 150 м/сут применяются иглофильтровые установки, состоящие
из трубчатых водоприёмников-иглофильтров, погружённых в скважины. Все
иглофильтры подключаются к всасывающему коллектору, соединённому с
насосами для откачки воды и воздуха.
Для поверхностного вакуумного водопонижения используют установки
вакуумного водопонижения и эжекторные установки с вакуумными концентрическими скважинами.
Установки вакуумного водопонижения применяются в мелкозернистых
пылеватых и глинистых песках, супесях, легких суглинках, илах и лесах,
58
плохо поддающихся осушению обычными иглофильтрами. Эти установки
позволяют понизить УПВ до 7 м. Для создания в полости всасывающего коллектора устойчивого вакуума применяют водовоздушный эжектор, позволяющий откачивать воздух, выделяющийся из водовоздушной смеси, поступающей от иглофильтра.
Эжекторные установки с вакуумными концентрическими скважинами
используют для осушения слоистых грунтов различной проницаемости. Конструкция вакуумной концентрической скважины состоит из вакуумного водоприёмника, установленного в заранее пробуренную скважину.
Для понижения УПВ до 20 м в однородных грунтах при коэффициенте
фильтрации 0,110 м/сут могут использоваться эжекторные установки, состоящие из центробежного насоса, распределительного и водосборного трубопроводов, циркуляционного резервуара и эжекторных иглофильтров.
В мелкозернистых, илистых или глинистых грунтах с коэффициентом
фильтрации менее 0,05 м/сут возможно применение электроосмотического
водопонижения, для чего к водопонижающим скважинам с легкими или
эжекторными иглофильтрами подводится постоянный электрический ток
(отрицательный полюс), а между скважинами в шахматном порядке забиваются стальные трубы (положительный полюс).
Водопонижение скважинами применяют для снятия избыточного давления в напорных водоносных горизонтах; глубокого водопонижения; сброса
грунтовых вод в нижележащие слои, а также в тех случаях, когда использование иглофильтров затруднено большими притоками, большой площадью
осушения и стеснённостью территории. Водопонизительные установки представляют собой систему самоизливающихся скважин различного наклона,
водопоглощающих скважин, сквозных фильтров и водопонизительных скважин, оборудованных глубинными насосами.
59
После обратной засыпки котлованов и траншей или непосредственно
перед их затоплением водопонизительные установки, начиная с нижнего
яруса, демонтируют.
Борьба с внезапными прорывами воды в тоннеле
Внезапным прорывом воды называется её неожиданный дополнительный приток, возникающий при пересечении выработкой водоносных грунтов
или отдельных водоносных трещин, карстовых полостей, тектонических разломов и зон, сообщающихся с подземными водоносными горизонтами или
поверхностными водоёмами. При этом изменяется естественный режим
грунтовых вод, что может привести к нарушению устойчивости массива.
Прорывы приводят к частичному или полному затоплению выработки, выводу из строя горнопроходческого оборудования, травмам и гибели персонала.
Основные источники внезапных прорывов: поверхностные водоёмы
(реки, озёра, водохранилища), поверхностные ливневые и паводковые воды,
подземные водоносные горизонты. Прорывы воды из поверхностных водоёмов характеризуются огромными притоками по зонам тектонических нарушений. Прорывы ливневых и паводковых вод связаны с отсутствием ограждений на поверхности.
Прорывы воды в горные выработки подразделяют на прорывы не содержащих механических примесей и на загрязнённые воды со значительным
содержанием илистых и песчано-глинистых частиц. Наибольшую опасность
представляют прорывы плывунов, происходящих на контакте плывуна с
плотным грунтом или при недостаточной мощности плотных грунтов.
Способы ликвидации внезапных прорывов подразделяются на три
группы:
1 – без предварительного закрытия притоков воды из грунта:
- открытый водоотлив;
60
- открытый водоотлив с сооружением фильтрующий перемычек;
- водопонижение и открытый водоотлив.
2 – с частичным закрытием притоков воды:
- отвод воды и открытый водоотлив;
- сооружение водонепроницаемых перемычек и открытый водоотлив;
- спуск воды из затопленных горных выработок по буровым скважинам.
3 – с полным закрытием притоков воды:
- сооружение водонепроницаемых перемычек и инъекция грунтов при
незатопленных выработках;
- при затопленных выработках – инъекция грунтов в местах прорыва
с поверхности земли;
- сооружение подводных водонепроницаемых перемычек в затопленных выработках методом подводного бетонирования по скважинам, пробуренным с поверхности земли;
- сооружение водонепроницаемых перемычек с оставлением затопленных выработок и проведение новых обходных выработок;
- замораживание грунтов в местах прорыва.
Для предотвращения внезапных прорывов воды в подземные выработки необходимо своевременно выполнять следующие профилактические мероприятия:
- правильная организация поверхностного стока;
- ликвидация скопления ливневых и паводковых вод;
- своевременная ликвидация разведочных геологических скважин по
трассе подземного сооружения;
- отвод в сторону от трассы тоннеля рек и ручьёв;
- при проходке выработки в местах возможных прорывов возводить
обделку с минимально возможным отставанием от забоя и устраивать в тоннеле водонепроницаемые перемычки;
61
- бурение из забоя опережающих скважин длиной от 10 до 30 м;
- в местах возможных прорывов использовать специальных методы
проходки (замораживание, инъецирование, тампонаж);
- при проектировании обделки необходимо учитывать возможное
давление подземных вод и плывунов;
-
устраивать в обделке разгрузочные скважины.
При появлении первых признаках внезапного прорыва необходимо
удалить из выработки рабочих и принять решение о дальнейшей проходке по
плану ликвидации аварии.
62
Лекция XVI
Специальные способы строительства подземных и заглублённых сооружений
Искусственное замораживание грунтов
Искусственное замораживание грунтов применяется в слабых, неустойчивых водоносных грунтах и горных породах, при наличии разнородных пластов водоносных грунтов с коэффициентами фильтрации не более 10
м/сут и в трещиноватых скальных породах, залегающих над толщей неустойчивых водоносных грунтов с притоком подземных вод в выработку более 50
м3/ч. Способ искусственного замораживания основывается на способности
водоносных грунтов приобретать высокую механическую прочность и водонепроницаемость под действием низких температур. При замораживании
находящаяся в трещинах и порах вода замерзает, превращаясь в лёд, прочно
связывающий пласты и различные отдельности грунтов.
Сущность способа заключается в том, что до начала работ по контуру
подземного сооружения бурят скважины, через каждые 0,8 – 2 м и оборудуют
их замораживающими колонками. Скважины на 2 – 3 м заглубляют в водоупор. Через замораживающие колонки насосами прокачивают хладоноситель
с температурой –20  -400С.
В следствие поддержания постоянной отрицательной температуры за
счёт циркуляции хладоносителя в замораживающих колонках, вода, находящаяся в порах и трещинах грунта и горной породы замерзает и вокруг каждой колонки начинают образоваться льдопородные цилиндры. В дальнейшем
эти цилиндры смыкаются в единое льдопородное ограждение. При замораживании пород происходит изменение их физико-механических свойств:
увеличивается прочность, сцепление, водонепроницаемость. Таким образом,
льдопородное ограждение выполняет роль временной водонепроницаемой
крепи, под защитой которой можно вести проходческие работы.
63
Льдопородное ограждение поддерживают в замороженном состоянии
до тех пор, пока не будет закончено строительство, после чего ограждение
ликвидируют. В редких случаях, для наиболее сложных и уникальных объектов возможно использование льдопородного ограждения на весь период эксплуатации объекта.
В настоящее время применяется два способа искусственного замораживания грунтов:

Рассольный – сущность метода заключается в том, что по контуру бу-
дущего подземного сооружения пробуриваются вертикальные, наклонные
или горизонтальные замораживающие скважины, в которые помещают замораживающие колонки и питающие трубки, по которым циркулирует рассол

Безрассольный способ основывается на получении холода за счёт испа-
рения сжиженных газов непосредственно в замораживающих скважинах. В
качестве хладагента обычно используют жидкий азот, поэтому безрассольную схему ещё называют схемой замораживания жидким азотом.
Контроль за процессом формирования льдопородного ограждения производят с помощью термо- и гидронаблюдательных скважин.
Строительство вертикальных выработок с применением способа замораживания, в зависимости от глубины и начальной температуры пород, производят по одной из следующих схем:
1. Одноступенчатая: процесс замораживания производят сразу на всю
глубину неустойчивых водоносных пород. Схема применяется при залегании
обводнёных пород мощностью до 120 м на небольшой глубине от поверхности и при их начальной температуре не выше 100С.
2. Многоступенчатая. Замораживание осуществляют последовательными по времени нисходящими ступенями. Скважины бурятся с поверхности
земли на всю глубину неустойчивых пород. В замораживающих колонках на
границах ступеней замораживания размещают питающие и отводящие трубы.
64
Замораживание на каждой ступени достигается посредством более интенсивной циркуляции хладоносителя в её границах.
3. Зональная. По этой схеме процесс замораживание проводят только в
пределах водоносных пород. Схема применяется при глубоком залегании водоносных пород (свыше 150 м от поверхности) мощностью не более 100 м.
При этом, вышележащие породы замораживанию не подлежат.
4. Локальная. Замораживающие скважины бурятся из забоя выработки
через бетонную перемычку. Хладоноситель к колонкам подаётся по трубам с
поверхности. Схема применяется при глубоком залегании пласта водоносных
пород небольшой мощности, либо при внезапном обнаружении водоносного
пласта в процессе проходки.
Льдопородные ограждения вокруг горизонтальных или наклонных выработок создаются по одной из следующих схем:
1. Вертикальными замораживающими скважинами, расположенными в
несколько продольных рядов по всей трассе выработки.
2. Скважинами, расположёнными параллельно оси выработки по её
контуру или в пределах сечения выработки. По этой схеме льдогрунтовое
ограждение создаётся непосредственно из забоя или из специальной выработки (ствола, котлована, камеры).
3. Комбинированием вертикальных и наклонных скважин для проходки наклонных выработок в особо сложных инженерно-геологических условиях и представляет собой сочетание.
4. Прямоточная схема горизонтального замораживания грунтов. По
этой схеме колонки задавливают из одного ствола в другой. Две расположенные рядом колонки соединяются металлическими трубами или гибкими
шлангами, образуя, тем самым, замораживающую ветвь. Схема применяется
при строительстве подземных сооружений ограниченной протяжённости в
условиях плотной городской застройки.
65
Производство проходческих работ начинают только после окончания
замораживания и перевода замораживающей станции на пассивный режим
поддержания грунтов в замороженном состоянии.
Оттаивание замороженных пород производят для обеспечения равномерности давления на обделку, определения её водонепроницаемости и ускорения начала работ по гидроизоляции.
Оттаивание могут производить естественным путём либо искусственно.
Естественное оттаивание происходит только под влиянием теплопритока со стороны незамороженного массива и тёплого воздух в выработке.
Скорость естественного оттаивания составляет в среднем 0,1 – 0,15 см/сут.
Достоинство естественного оттаивание – отсутствие материальных затрат на
его проведение. Основные недостатки – большая продолжительность процесса и невозможность управления им, что может приводить к неравномерному
оттаиванию пород по периметру ствола, деформированию обделки, нарушению её гидроизоляционных свойств и п.д.
Искусственное оттаивание производят путём циркуляции в колонках
подогретого хладоносителя; заполнения ствола водой с последующим подогревом её паром; подогревом воздуха, подаваемого в выработку. Возможно
использование комбинированного метода: интенсивное проветривание выработки подогретым влажным воздухом в сочетании с одновременной прокачкой через замораживающие колонки подогретого хладоносителя.
66
Лекция XVII
Специальные способы строительства подземных и заглублённых сооружений
Закрепление грунтов инъекцией
Сущность способа закрепления грунта инъекцией заключается в пропитке пор грунта или заполнении трещин и пустот в массиве горных пород
раствором, который, затвердевая со временем, повышает механические свойства грунта (породы) и снижает его водопроницаемость. Для этого в грунте
бурятся скважины, через которые в массив нагнетают химический или цементационно-тампонажный раствор, распространяющийся на определенное
расстояние от скважины и заполняющий собой поры и трещины. После затвердевания раствора повышается прочность и водонепроницаемость массива, что позволяет вести строительные работы в достаточно благоприятных
инженерно-геологических условиях.
Существует несколько методов закрепления грунтов инъекцией:
Цементация: используется для закрепления грунтов и горных пород
путём заполнения через скважины пор, трещин и других пустот в грунтовом
массиве цементным, цементно-песчаным или цементно-глинистым раствором под давлением. Со временем раствор затвердевает и образуется грунтоцементный или грунто-цементно-глинистый камень, в результате чего образуется уплотнённый массив с более высокими прочностными и противофильтрационными характеристиками по сравнению с незакреплённым.
Глинизация. Сущность способа заключается в заполнении глинистым
раствором трещин и карстовых пустот в сухих породах, способных после
нагнетания раствора впитывать из него воду.
Битумизация. Применяется в трещиноватых горных породах с высокими скоростями фильтрации грунтовых вод, исключающими применение
цементации или глинизации.
Существуют два метода битумизации: горячий и холодный.
67
Сущность способа горячей битумизации состоит в том, что через предварительно пробуренные скважины в массив нагнетается расплавленный битум, который, остывая в трещинах, придает породе водонепроницаемость.
Для придания водонепроницаемости песчаным грунтам используется
метод холодной битумизации, заключающийся в нагнетании в грунт битумной эмульсии. Этот способ не изменяет прочностных и деформационных
свойств песчаных грунтов, а лишь повышает их водонепроницаемость.
Силикатизация. Сущность способа состоит в том, что через забитую в
песчаный грунт перфорированную трубу-инъектор поочередно нагнетаются
растворы силиката натрия и хлористого кальция. В результате химической
реакции между ними в порах грунта образовываетя гидрогель кремниевой
кислоты и грунт быстро и прочно закрепляется и становится водонепроницаемым.
Во влажных лессовых грунтах применяется газовая силикатизация,
сущность которой заключается в том, что в грунт, подлежащий закреплению,
через специальные скважины и инъекторы последовательно нагнетают углекислый газ, раствор силиката натрия и вторично углекислый газ. После такой
обработки грунты приобретают прочность, водоустойчивость и водонепроницаемость.
Смолизация. Этот метод заключается во введении в грунт гелеобразующего раствора высокомолекулярных смол (карбамидной, фенолформальдегидной) вместе с отвердителем (соляная и щавелевая кислоты, хлорное железо). В результате происходящих химических реакций смола переходит из
жидкого состояния в твердое, горные породы упрочняются, снижается их водопроницаемость, увеличивается прочность.
Электрохимическое закрепление грунтов основано на сочетании воздействия постоянного электрического тока на грунты и вводимых в него химических добавок и применяется в грунтах с коэффициентом фильтрации
менее 0,2 м/сут.
68
Термическое закрепление грунтов основано на нагнетании в грунтовый
массив теплового потока, который, проникая в поры, обжигает грунт, увеличивает его прочность и ликвидирует пучинистые и просадочные свойства.
Сжигание топлива в скважинах ведется при температуре 600650 С. С помощью термического закрепления можно немедленно прекратить процесс
осадок, в том числе аварийных, вызванных увлажнением грунта под нагрузкой. Обжиг грунта производится через специальные нагревательные скважины.
69
Литература.
а) основная литература
1. Абрамчук В.П., Власов С.Н., Мостков В.М. Подземные сооружения. – М.: ТИИМР, 2006.
2.Конюхов Д.С. Строительство городских подземных сооружений
мелкого заложения. Специальные работы. – М.: Архитектура-С, 2005.
3. Насонов И.Д., Ресин В.И., Шуплик М.Н., Федюкин В.А. Технология озведения подземных сооружений. – М.: Издательство Академии горных
наук, 1998.
б) дополнительная литература
3. Ивахнюк В.А. Строительство и проектирование подземных и заглублённых сооружений. – М.: АСВ, 1999.
4. Кочерженков В.В. Технология возведения подземных сооружений. –
М.: АСВ, 2000.
5. Мостков В.М., Орлов В.А., Степанов П.Д. и др. Подземные гидротехнические сооружения. Под ред. В.М. Мосткова. – М.: Высшая школа, 1986.
6. Смородинов М.И. Строительство заглублённых сооружений. Справочное пособие. – М.: Стройиздат, 1993.
7. Харитонов В.А. Подземные здания и сооружения промышленного и
гражданского назначения. – М.: АСВ, 2008.
70