книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства
.pdfТЕХНОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВА
ПОДЗЕМНЫХ
СООРУЖЕНИЙ
СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СТРОИТЕЛЬСТВА
2-е издание, переработанное и дополненное
Рекомендовано Комитетом по высшей школе Миннауки
России в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по специальности «гШахтное и подземное строительство»
МОСКВА “НЕДРА” 1992
ББК 33.15 T 38
УДК 622.25Д26 (075.8)
А в т о р ы : И. Д. Насонов, В. А. Федюкмн, М. Н. Шуплик, В. И. Ресин
Р е ц е н з е н т : кафедра «Строительство шахт и подземных сооружений» Донецкого политехнического института
|
Технология строительства подземных сооружений. Спе- |
|||||||||
Т38 |
циальные способы строительства: |
Учебник |
для |
вузов/ |
||||||
|
И. Д. Насонов, В. А. Федюкин, М. Н. Шуплик, В. И. Ре |
|||||||||
|
син.— 2-е изд., |
перераб. |
и |
доп. — М.: |
Недра, |
1992.— |
||||
|
351 с.: ил. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ISBN 5-247-01153-8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рассмотрены |
технологические |
схемы |
и |
способы |
строительства |
||||
|
подземных сооружений в водоносных горных породах и определена |
|||||||||
|
область их целесообразного применения. Обобщен отечественный и |
|||||||||
|
зарубежный опыт .строительства |
с применением |
специальных спосо |
|||||||
|
бов. Во втором издании (1-е |
изд. — 1983) |
изложены |
принципы |
рас |
|||||
|
чета толщины ледопородных ограждений и параметров холодильного |
|||||||||
|
оборудования. Дай анализ технико-экономических показателей строи |
|||||||||
|
тельства. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для студентов горных вузов и факультетов. |
|
|
|
|
|||||
2502010000-223 |
|
|
|
|
|
|
ББК |
33.15 |
||
Т ----------------------- 131—92 |
|
|
|
|
|
|||||
043(01)—92 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ISBN |
5-247-01153-* |
|
|
@ |
Издательство «Недра», |
1983 |
||||
|
|
|
|
® |
Коллектив |
авторов, |
1992, |
|||
|
|
|
|
|
с |
изменениями и |
дополне |
|||
|
|
|
|
|
ниями |
|
|
|
|
ПРЕДИСЛОВИЕ
В практике горнодобывающей промышленности, при строи тельстве линий метрополитенов, железнодорожных и городских коллекторных тоннелей все в большем объеме приходится осу ществлять строительство подземных сооружений в сложных гидрогеологических условиях.
Степень сложности гидрогеологических условий в основном определяется водообильностыо горных пород и их устойчиво стью при обнажении. В ряде случаев в устойчивых скальных породах, но сильнотрещииоватых или пористых с большой во дообильностыо, приток воды в выработку достигает больщих
величин — до 2000 |
м3/ч. В таких условиях возникают значи |
||
тельные |
трудности с отводом подземных вод из забоя выработ |
||
ки или |
становится |
невозможным |
использование обычных |
средств |
водоотлива. |
В связи с этим |
в указанных условиях до |
начала горно-строительных работ требуется предварительное закрытие пор и трещин для гидроизоляции места строительст ва выработки от окружающих ее водоносных пород.
Наиболее сложные условия возникают при строительстве подземных сооружений в рыхлых, слабоустойчивых водоносных породах типа плывунов и мягких пластичных глин, в которых невозможно осуществить обнажение массива даже на незначи тельной площади. В этих случаях до начала горно-строитель ных работ предварительные мероприятия выполняют не толь ко для гидроизоляции места строительства выработки от окру жающего водоносного массива, но и для закрепления горных пород и придания им большей устойчивости при обнажении. Таким образом, при любом специальном способе строительст ва подземных сооружений предполагается выполнение допол нительных специальных мероприятий, которые осуществляют
заблаговременно до начала горно-строительных |
работ. |
В зависимости от характера воздействия |
на водоносные |
породы, времени действия мероприятий, а также типа обору дования, применяемого для выполнения работ, все специаль ный способы могут быть разделены на четыре группы, преду сматривающие:
применение временных или постоянных ограждающих кре пей без изменений физико-механических свойств вмещающих пород (забивная крепь, опускная крепь, стена в грунте);
временное изменение физико-механических свойств горных пород на период выполнения работ по строительству подзем ного сооружения (замораживание горных пород, предваритель ное осушение с применением водопонизительных установок или сжатого воздуха) ;
закрепление горных пород на период строительства и экс плуатации подземного сооружения (тампонирование горных пород различными материалами) ;
применение специального оборудования и физических про цессов воздействия на массив горных пород (бурение, размыв, использование энергии взрыва и т. д .).
В настоящей части курса «Технология строительства под земных сооружений» изложены теория, техника и технология производства специальных работ, а т’акже некоторые особен ности горно-строительных работ по строительству подземных сооружений, которые возникают в связи с применением того или иного специального способа.
1. СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ОГРАЖДАЮЩИХ КРЕПЕЙ
Строительство подземных сооружений нередко ведут на не большой глубине от земной поверхности в водоносных несвя зных грунтах или же ©близи существующих зданий или со оружений. В таких случаях для обеспечения безопасных усло вий ведения горно-строительных работ зачастую применяют способ ограждающих крепей.
Сущность способа состоит в том, что до начала горно-строи тельных работ по контуру будущего подземного сооружения возводят ограждающую крепь, под защитой которой в даль
нейшем осуществляют выемку |
грунта, а |
иногда |
и возведение |
постоянной крепи. |
|
|
ограждающие |
В зависимости от материала и конструкции |
|||
крепи могут выполняться: из отдельных |
элементов— шпун- |
||
тин, забиваемых в грунт на |
расчетную |
глубину (шпунтовое |
ограждение); из замкнутых монолитных или сборных оболо чек, выполненных из материала, обладающего достаточной прочностью, погружающихся под действием собственного веса ко мере разработки грунта внутри оболочки (опускные крепи); из монолитного или сборного железобетона в узких траншеях, отрываемых по периметру подземного сооружения на всю его глубину, как правило, до водоупора. (стена в грунте).
1.1.СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
СПОМОЩЬЮ ШПУНТОВЫХ ОГРАЖДЕНИЙ
1.1.1.Сущность способа и условия применения
Сущность способа с применением шпунтового ограждения (забивной крепи) заключается в том, что перед началом выем ки грунта по контуру будущего подземного .сооружения на всю мощность неустойчивых грунтов плотно друг к другу по гружают временное шпунтовое ограждение, состоящее из от дельных элементов — шпунтин. Комплект шпунтин, забивае мых по всему периметру подземного сооружения, называют по садом. Шпунтовое ограждение должно быть водонепроницае мым, прочным и не деформироваться при погружении; должно заглубляться в водоупор не менее 1—1,5 м и выступать выше водоносного горизонта на 1—2 м. После погружения шпунто вого ограждения под его защитой производится выемка грун та и возводится постоянная крепь или конструкция подземного сооружения.
Шпунтовое ограждение целесообразно применять при сле
дующих условиях: мощность неустойчивых грунтов от |
5 |
до |
12 м; глубина залегания неустойчивых грунтов не более |
20 |
м |
от поверхности; наличие ниже неустойчивых грунтов водоупора мощностью не менее 3 м; отсутствие в геологическом разре зе валунов и твердых включений более 20 см в поперечнике; величина напора подземных вод над почвой пласта плывунов до 12 м.
Шпунтовые ограждения применяют при возведении под земный сооружений в городском и промышленном строитель стве (транспортных тоннелей, насосных станций, камер для подземных коммуникаций, тоннелей метрополитенов мелкого заложения и других подземных сооружений вблизи действую щих зданий), а также в шахтном строительстве при проходке устьев стволов в неустойчивых породах.
1.1.2. Конструкции шпунтовых ограждений
Шпунтовые ограждения выполняют из деревянных или ме таллических шпунтин.
Деревянные шпунтины представляют собой доски шириной 150—200 мм, толщиной 50—100 мм и длиной 2—6 м. Изготов ляют их из любых сортов дерева, за исключением ели, склон ной к раскалыванию. Для уменьшения раскалывания верхние части шпунтин обивают листовой сталью.
Плотное прилегание шпунтин друг к другу осуществляется с помощью паза и гребня. Для обеспечения плотного приле гания нижнего конца вновь забиваемого шпунта к ранее за битому нижнюю часть скашивают.
Деревянные шпунтины по соображениям экономии при родных ресурсов практически не применяют.
Металлические шпунтины выпускают различного сечения и ■подразделяют на плоские (рис. 1.1,а, б, в); корытные (рис. 1.1,г,д); коробчатые (рис. 1.1, е); зетаобразные (рис. 1.1,ас); трубчатые (рис. 1.1, з, и, к).
Длина шпунтины колеблется в пределах 12—22 м. В каче стве металлических шпунтин иногда используют обычную про катную сталь двутаврового, швеллерного и уголкового профи лей № 45, 55, 60.
Тип металлических шпунтин выбирают с учетом следующих факторов:
моментов сопротивления и инерции шпунтин. Момент со противления определяет прочность шпунтины, а момент инер
ции— жесткость. С увеличением момента инерции |
уменьшает |
ся вероятность изгиба шпунтин при их забивке; |
экономичнее |
массы 1 м шпунтины (чем она меньше, тем |
|
конструкция шпунтового ограждения) ; |
|
'.Рис. 1.1. Типы металлических шпунтин:
а — Линкована; |
б — Беренд; |
в — ШП; |
г - |
|
Ларсена; |
д — ШК; е — Круппа; |
ж — ШД; |
з - |
|
Гааза; и - |
ШПД; |
/с-Ш К Д |
|
|
r \ § \ j ë T \
и о— З)— ---С
А< 1 > ф с
Рис. 1.2. Фрагменты угловых сопряжений металлического шпунта:
а, б — клепаные соединения |
при помощи |
полушпунта |
^-образного профиля; в —свар |
ные соединения Z-образного профиля |
|
|
|
а |
8 |
8 |
з |
Рис. 1.3. Расчетные схемы шпунтовых ограждений
плотности и герметичности замков. Замок шпунтин дол жен допускать возможность образования некоторого угла между отдельными шпунтинами, позволяющего придавать ограждению заданную форму.
Показателем экономичности шпунтин является отношение момента сопротивления к массе 1 м шпунтины. Как видно из табл. 1.1, наиболее экономичными являются шпунтины зетаобразные и корытные типа «Ларсен».
Разветвление шпунтовых ограждений и их повороты осу ществляют при помощи специальных металлических профи лей, которые получают путем резки стандартной шпунтины в продольном направлении на нужные секции, которые затем также.могут свариваться между собой для получения любого
поперечного сечения. Некоторые из возможных профилей, по лучаемые подобным образом, показаны на рис. 1.2.
Металлические шпунтовые ограждения получили большее распространение, чем деревянные, из-за ряда преимуществ: бо лее высокая механическая прочность, обеспечивающая лучшее сопротивление боковому давлению; возможность применения мощных технических средств для забивки шпунтин; возмож ность пересечения водоносных слабых грунтов большой мощ
ности и на большей глубине; надежность |
замковых |
соедине |
|||||||
ний, повышающих водонепроницаемость ограждения. |
|
|
|
||||||
Шпунтовые |
ограждёния |
рассчитывают |
на |
давление |
обру- |
||||
шающегося грунта, гидростатическое давление |
грунтовых вод, |
||||||||
а также реактивных усилий рт устанавливаемых |
анкеров и |
||||||||
распорок в котлованах. При этом могут встретиться |
следую |
||||||||
щие статические расчетные схемы: |
|
|
|
|
|
|
|||
консольная |
шпунтовая |
стенка |
без дополнительных |
опор |
|||||
(рис. 1.3, а); |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
консольная |
шпунтовая |
стенка |
с одной |
опорой |
по |
высоте |
|||
(рис. 1.3, б); |
стенка, свободно |
расположенная в |
|
грунте и |
|||||
шпунтовая |
|
||||||||
имеющая одну опору по высоте |
(рис. 1.3, в) ; |
|
|
|
|
|
|||
шпунтовая стенка, свободно расположенная в грунте и име |
|||||||||
ющая несколько опорно высоте (рис. 1.3,г). |
|
|
|
|
|
||||
Металлические шпунтины любого профиля обычно рассчи |
|||||||||
тывают по схеме многопролетных неразрезных балок. |
|
||||||||
Первая из |
перечисленных |
расчетных |
статических |
систем |
требует надежного закрепления шпунта в грунте и в связи с этим относительно глубокого погружения. Применение этой схемы возможно лишь в неглубоких котлованах при наличии свободного пространства, не загроможденного различными до полнительными внутренними распорками, и наличии достаточ но крепких и устойчивых грунтов на отметках ниже дна воз водимого котлована.
Как показал опыт, при применении консольной шпунтовой стенки без дополнительных опор необходимая величина заглуб ления шпунтины ниже почвы выработки изменяется от полови ны глубины выработки Н до (1/3-М/4) Н для более плотных грунтов.
При проектировании схемы расположения шпунтин по пе риметру подземного сооружения расстояние от контура со оружения в свету до оси расположения шпунтин
c = a + b + d ,
где а — возможное отклонение шпунтин от вертикального по ложения внутрь выработки, мм; b — толщина шпунтины в зам ке, м'м; d — толщина сте.н выработки, мм.
1.1.3.Оборудование для погружения
иизвлечения шпунтии
Для погружения шпунтин в грунтовой массив применяют копровое оборудование и различные средства забивки.
Копровое оборудование предназначено для подъема и удер жания шпунтины в вертикальном положении, а также для подъема и перемещения средств забивки. Вместо копров могут быть применены стреловые (автомобильные) краны или краныэкскаваторы, оснащенные специальным сменным оборудовани ем, а также тельферы.
Средства забивки шпунтин разнообразны по конструкции и принципу работы. Их можно подразделить на следующие ос новные типы:
механические молоты, приводимые в действие с помощью подъемной лебедки и каната;
паровоздушные молоты, приводимые в действие сжатым воздухом или паром, которые непосредственно воздействуют на ударную часть молота;
дизель-молоты, работа которых основана на передаче энер
гии сгорающих |
газов |
непосредственно |
рабочему органу — |
|
ударной части молота; |
принцип работы |
которых основан на |
||
вибропогружатели, |
||||
использовании |
эффекта вибрации |
(передачи колебательных |
движений рабочего органа на шпунтину) ; вибромолоты, принцип работы которых основан .на совмест
ном использовании эффекта вибрации в сочетании с периодиче скими ударами по шпунтине.
Наибольшее распространение получили вибропогружатели, которые разделяют на высокочастотные (частота колебаний вибратора 700— 1500 в 1 мин) для погружения шпунтин с от носительно малыми лобовым сопротивлением и массой и низ кочастотные (300—500 колебаний в 1 мин) — для погружения железобетонных свай и шпунтин, имеющих большие массы и лобовое сопротивление.
Наибольшее распространение для погружения и извлечения стальных шпунтин получили вибррпогружатели ВПП-2 с элект родвигателем мощностью 28—75 кВт и В-401 с электродвигате лем мощностью 55 кВт. Вибропогружатель В-401 предназна чен для погружения в песчаные водоносные грунты и извлече ния металлических шпунтин массой до 1,5 т.
Перспективным средством забивки шпунтин являются виб
ромолоты, основные достоинства |
которых — простота конструк |
|||
ций, более высокая погружающая способность, |
малые |
энерго- |
||
и металлоемкость. Для погружения шпунтин |
могут быть |
ис |
||
пользованы вибромолоты С-467М, ВМ-7У, С-836 и др. |
тв, |
ис |
||
Между массой подвижного |
элемента механизма |
пользуемого при забивке, и массой забиваемой шпунтины тв рекомендуются следующие соотношения:
mB= (l~ 2 )m s (свободнопадающий молот); m i—(0,4-i-0,8)ms (дизель-молот) ;
т в— (0,2~-0,3)ms (быстродействующий молот),
Извлечение шпунтин из грунтового массива осуществляют с применением копровых установок статического действия, уси
лия извлечения в |
которых достигают 1800 |
кН. В |
последние |
||||||
пять лет для извлечения металлических |
шпунтин |
стали |
при |
||||||
менять виброударные шпунтовыдергиватели, |
значительно |
сни |
|||||||
жающие статическое усилие извлечения. |
В1-592 |
и |
В1-592А |
||||||
Виброударные |
шпунтовыдергиватели |
||||||||
обеспечивают извлечение стальных |
свай |
(двутавровые балки |
|||||||
№ 45, 55 и 60) с глубины до |
19,5 м и шпунтин «Ларсен-IV» и |
||||||||
«Ларсен-V» с глубины |
до 18 м из |
песчано-глииистых |
пород. |
||||||
При этом усилие извлечения |
снижается |
в |
4—5 раз |
(с |
800— |
||||
1000 до 150—200 кН) |
по сравнению с одним статическим. |
|
1.1.4. Производство работ
Перед началом работ по возведению шпунтового огражде ния составляют план, на котором показывают точное положе ние всех шпунтовых элементов, место начала работ и путь перемещения копра. Перестановка копра должна произво диться в соответствии с планом. При возведении замкнутых котлованов и шпунтовых стенок из начального пополнения копра должна производиться забивкане менее двух элементов, расположенных в направлении продольной стенки.
Металлические шпунтовые ограждения устраивают следую щим образом. Первоначально грунт разрабатывают на глуби
ну, не доходя 0,5 м до неустойчивых пород. |
После |
этого |
на |
дно котлована укладывают направляющие |
рамы |
(рис. |
1.4), |
в которых собирают шпунтовое ограждение. При этом прямо
линейность |
|
шпунтин и отсутствие дефектов в замках проверя- |
||||
|
|
А |
£ |
А-А |
Б-Б |
|
|
|
И |
||||
1 |
|
|
|<п |
Г ® |
|
|
|
|
! |
□ |
|
||
|
|
гп |
|
|
|
|
1 |
- У " " 4* |
/ л |
□ |
|
|
|
- |
у |
|
|
|||
|
|
гГ) |
|
|
||
|
|
> Т |
Т |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.4. Направляющая рама для фиксации положения забиваемой шпун тины:
/ — поперечные скобы; 2 — фиксатор расстояния между иапраоляющими