книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

для безнапорного горизонта

_ як (2 Я — 5 е ) Sc

In [RV (8 /^ 2 r c))'

Суммарный дебит всех водопоиижающих скважин

Q = NQ',

где N.— число взаимодействующих скважин.

Остаточный (непониженный) уровень грунтовых вод в цент- 'ре защищаемого контура ho определяют по формулам:

в'напорном водоносном горизонте

И— NQ' In

вбезнапорном водоносном горизонте

Впроцессе работы водопонизительных установок основная часть подземных вод попадает в водо.понижающие скважины,, но часть проскакивает и попадает в забой ствола при его про­ ходке. Величину «проскока» воды Qocт определяют по разности между дебитом «большого колодца» Qe.К, т. е. условного ко­ лодца радиусом г0, и суммарным дебитом скважин Q

QOCT ~ Qe. к	Q*
Величину	QÔ.K определяют по формуле (2.14) или (2.15),

в каждую из которых вместо значения гс подставляют значе­ ние Го.

По значениям дебита водопонижающих скважин подбирают

,насосное	оборудование. Для успешной	работы водопонизи-
тельной	установки необходимо, чтобы	водозахватная способ­

ность каждой скважины, т. е. количество воды, которое может быть откачано через скважину, соответствовала дебиту сква­ жины или несколько его превышала.

Водозахватная способность

Î = л^окв^ср»

где I — длина водоприемной части фильтра, м; 4Ско— диаметр фильтровой обсыпки или диаметр фильтра, м; vcp— допусти­ мая входная скорость фильтрации (м/сут), которую определя­ ют по эмпирической формуле С. К. Абрамова

иср= 65 Y~k.

Ill

3. СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИИ ПОД СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ

3.1. СУЩНОСТЬ СПОСОБА

Сущность способа (рис. 3.1) заключается в том, что при подходе забоя выработки к неустойчивым обводненным поро­ дам (плывунам) проходку приостанавливают и в выработке возводят одну или несколько перегородок. В пространство между перегородкой и забоем выработки подают сжатый воз­ дух под'давлением, несколько большим гидростатического дав­ ления воды в породах. Под действием сжатого воздуха вода отжимается из забоя выработки на расстояние 0,1—0,4 м в глубь массива. В результате неустойчивые водоносные породы частично осушаются. Массив пород становится более устойчи­ вым, что создает благоприятные условия для ведения горно­ проходческих работ.

Проходка выработок под сжатым воздухом (кессонная про­ ходка), исходя из санитарно-гигиенических соображений, мо­ жет применяться при избыточном давлении до 0,2 МПа, т. е. при проходке выработок по водоносным пластам с напором подземных вод не более 20 м.

Поэтому сжатый воздух как средство осушения забоя и стабилизации массива горных пород применяют в качестве крайней меры, когда другие специальные способы по техни­ ческим и экономическим соображениям не могут быть приме­ нены.

3.2. ПРОХОДКА СТВОЛОВ ПОД СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ

Проходка стволов под сжатым воздухом является дальней­ шим совершенствованием способа опускных крепей и может осуществляться по двум схемам: с подвижной и неподвижной рабочей камерой.

По первой схеме с подвижной камерой (рис. 3.2, а) после сооружения устья ствола в нем возводят опускную крепь 3 с режущим башмаком 1 высотой 0,8— 1,2 м и с мощным герме­ тичным потолком 4, устанавливаемым на высоте 2—2,5 м от режущего башмака. В пространство 2, заключенное между за­ боем выработки, потолком и стенами опускной крепи, называе­ мое рабочей камерой, нагнетают сжатый воздух под давлени­ ем, превышающим гидростатическое давление воды.

Связь рабочей камеры с поверхностью осуществляют через шахтную трубу 7, пропущенную через потолок рабочей каме­ ры, и шлюзовой аппарат 8. По мере разработки и выдачи по-

Рис. 3.1. Схема проведения выработки под сжа-тым воздухом:

^ ~ ~ компрессорная	станция;		2	.поздухопропод; д — стпол -шахты; 4 —шлюзовая - камс-
nî\’nenJT•Г л/1Ме,У:п'т■П<!		6Ï —	'	11е|’сы1’-Чка’ й — рабочая зона	кессона; 7 — тюбинговая
обделка; S — щит:	9	— водонасыщеинмс грунты
				а	б

Рис. 3.2. Принципиальные схемы про­ ходки ствола под сжатым воздухом (заштрихованная область — зона повы­ шенного давления воздуха-)

роды иззабоя ствола' рабочая камера опускается. Постоян­ ную крепь 5 наращивают с полка 6 в условиях нормального ат­ мосферного давления; Объем рабочей камеры при такой схеме

производства	работ остается постоянным (V=const).
• По второй	схеме-— с неподвижной камерой, (рис. 3.3,6) —

по мере выемки породы из забоя ствола постоянную крепь 5

возводят вслед за подвиганием забоя	в зоне сжатого воздуха,
и объем рабочей камеры постепенно	возрастает (W ^const).

Шахтная труба 7 и шлюзовой аппарат В остаются неподвиж­

ными.

Оборудование для проходки шахтных стволов под сжатым воздухом включает в. себя рабочую камеру, шлюзовое обору-

дование, компрессорную станцию, соединенные трубопровода­ ми и снабженные запорной аппаратурой, лечебный шлюз

и др.

Р а б о ч а я к а м е р а (см. рис. 3.2,а) состоит из опорного режущего башмака, стен опускной крепи и потолка. Опорный режущий башмак и стены рабочей камеры обычно выполняют из железобетона толщиной 400—450 мм или из тюбингов с внутренней железобетонной рубашкой при суммарной толщине 400 мм. Арматуру стен принимают двойной с расстоянием между горизонтальными прутьями 150—200 мм и вертикальны­ ми 250—300 мм. Потолок рабочей камеры обычно выполняют из металлических двутавровых балок, пространство между ко­ торыми заполняют бетонной смесью. Реже потолок устраива­ ют ив железобетона. Потолок рабочей камеры является весь­ ма ответственным элементом конструкции и воспринимает сни­ зу — давление сжатого воздуха в рабочей камере (при расчете принимают давление 0,2—0,25 МПа); сверху — вес воды, ме­ таллических балок и других предметов, располагаемых на по­ толке в том случае, когда рабочая камера не опускается под влиянием собственного веса. Толщину потолка принимают по расчету и на практике она обычно составляет 0,8— 1 м при при­ менении двутавровых балок № 55. В потолке рабочей камеры в процессе его сооружения устанавливают патрубки для пропус­ ка через них ставов труб и кабелей. В .центральной части по­ толка размещают основной патрубок, к которому прикрепляют шахтную трубу шлюзового аппарата. Для снижения потерь сжатого воздуха внутренние поверхности рабочей камеры тор­ кретируют или производят сплошную затирку цементным рас­ твором, а затем трехкратно ее окрашивают.

Шлюзовое оборудование при проходке стволов под сжа­ тым воздухом состоит из шлюзового аппарата и шахтной тру­ бы. С помощью шлюзового оборудования обеспечивается связь между рабочей камерой и поверхностью земли. С помощью шлюзового аппарата производят шлюзование породы, мате­ риалов и оборудования, а также пропуск'людей, работающих в забое ствола. Шахтная труба служит для непосредственной связи рабочей камеры со шлюзовым аппаратом".

В практике проходки стволов под сжатым, воздухом приме­ няли шлюзовые аппараты конструкции Н. И. Филиппова, Н. И. Крылова и Шахтспецстроя. Все,эти^аппараты характе­ ризуются большой громоздкостью, низкой производительностью и большим расходом сжатого воздуха. Из-за отсутствия средств обогрева и мест для сидения людей эти аппараты не в полной мере соответствуют современным санитарно-гигиеническим тре­ бованиям.

В связи с этим в последние годы петербургскими тоннелестроителями разработана и опробована новая конструкция

шлюзового аппарата, в которой частично устранены вышепере­ численные недостатки.

В аппарате предусмотрены средства обогрева и утепления шлюзов для работы людей в зимнее время.

При подвижной рабочей камере выемку породы производят в зависимости от типа пород. Разработку песков осуществля­ ют слоями высотой 0,3—0,5 м в направлении от центра к пе­ риферии. Породу под режущим башмаком не разрабатывают. Глинистые породы разрабатывают так же, как и песчаные, только породу под режущим башмаком вынимают.

По мере разработки породы крепь ствола совместно с ра­ бочей камерой постепенно опускается, а в зоне нормального атмосферного давления с полков, расположенных в устье ство­ ла, возводят постоянную крепь.

Крепь будет опускаться, .если выполняется условие

G ^T + R + P S ,

где G — вес рабочей камеры и шлюзового оборудования, смон­

тированного на	ней; Т — силы трения	боковой поверхности о
горную породу;	R — реакция режущего	башмака; Р — избы­
точное давление	воздуха в рабочей камере; S — площадь по­
толка.

В начале работ опускание крепи происходит равномерно по мере выемки породы. С увеличением глубины (более 5 м) про­ цесс погружения крепи становится затруднительным. Поэтому для обеспечения дальнейшего опускания крепи или искусствен­ но увеличивают ее вес путам заполнения водой или песком пространства над потолком рабочей камеры, или прибегают к форсированной посадке крепи. Форсированная посадка заклю­

чается в том, что при отсутствии людей <в забое	в рабочей ка­
мере резко снижают давление сжатого воздуха	и тем самым

облегчают условия опускания крепи. После форсированной по­ садки давление воздуха в рабочей камере доводят до рабоче­ го и возобновляют проходку ствола.

Если указанные мероприятия не обеспечивают опускание крепи на полную глубину, то с некоторой глубины дальней­ шую проходку ствола осуществляют по схеме с неподвижной

рабочей камерой. При этом в стволе	примерно через каждые
3 м устанавливают временные полки	и лестницы для пере­

движения людей. Породу вынимают заходками, величина ко­ торых зависит от типа пород. Для песка заходки принимают равными 0,4— 1 м, в глинах — от 1 до 1,5 м.

Постоянную крепь возводят из монолитного железобетона с применением створчатой опалубки й реже тюбингов.

Скорость проходки стволов под сжатым воздухом в уголь­ ной промышленности достигала 45 м/мес, средние же скорости составляли 10— 15 м/мес. При строительстве стволов в метро­

строений и тоннелестроении скорость проходки под сжатым воздухом составляет 17—25, iyt/мес. Затраты на проходку 1 м ствола составляют 1,5—2,5 тыс. руб. в зависимости от его диа­ метра.

В настоящее время способ проходки стволов под сжатым воздухом применяют в отдельных исключительных, случаях в метростроении и при строительстве коллекторов в городских условиях.

3.3. ПРОВЕДЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ПОД СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ

Наиболее часто под сжатым воздухом проводят тоннели различного назначения в сочетании со щитами (см. рис. 3.1).

Для проведения тоннелей под сжатым воздухом, как видно из сущности способа, необходимо возводить специальные гер­

метичные	перемычки, обеспечивающие	избыточное		давление
воздуха в пространстве между забоём		и	перемычкой. Такие
перемычки	возводят или в стволе (см.	рис.	3.1), или	же непо­

средственно в тоннеле. Анализ опыта .проведения тоннелей по­ казывает, что перемычки чаще всего возводят непосредственно в тоннеле. В этом случае такие перемычки возводят на рас­ стоянии 40—50 м от забоя, которые разделяют тоннель на две

зоны: рабочую и нормального атмосферного	давления.
В рабочей зоне создают повышенное по	сравнению с ат­

мосферным давление воздуха, под действием которого вода в забое тоннеля отжимается и создаются благоприятные условия для проходки.

Для доступа людей в забой, транспортирования грунта, 'оборудования и материалов устраивают несколько герметич­ ных перемычек, пространство между которыми называют шлю­ зовыми камерами.

Шлюзовая камера состоит из шлюзовых перегородрк и шлю­ зов. В зависимости от диаметра тоннеля в шлюзовой камере

располагают шлюзы			параллельно		( ш а р а л л л е л ь н а я с х е ­
ма	р а с п о л о ж е н и я			ш л ю з о в )		(рис. .3.3)	или	участок
тоннеля разделяют			на	отсеки тремя воздухопроницаемыми
перегородками		(рис.	3.4)	с дверями		( п о с л е д о в а т е л ь н а я
с х е м а р а с п о л о ж е н и я ш л ю з о в ) .
	Параллельную схему расположения шлюзов применяют при
строительстве		тоннелей большого			диаметра (более 5			м),	по­
следовательную— при строительстве						тоннелей малого		диамет­
ра	(до 3,6—5 м ).
	Шлюзовые камеры, как отмечалось выше, включают в себя
перегородки и шлюзы. Шлюзовые перегородки							изготовляют
из металла, железобетона, бетона и сравнительно редко									из
кирпича. В последние годы широкое						распространение		находят

а

б

Рис. 3.3. Шлюзовые камеры:

/ — зона	повышенного	давлени	; .2 — металлические, двери; 3 — железобетонные				пере­
городки;	4 — аварийный	шлюз;	5 — геодезический	прикамерок;	6 — зона	нормального
атмосферного давления;		7 — подготовка тощего бетона; 8 — материальный				шлюз;	9 —
железобетонные перекрытия; 10‘— шлюзовая труба;				11 — людской	шлюз

/ '1

m__

оi /> ,

2W/3 4; 2 3

по77 п

5 2 3

гп■I

Рис.	3.4. Схема расположения шлюзов при проведении	тоннеля под сжа­
тым	воздухом:
/ —щнт; 2 — двери; 3'— перегородки; 4 — грузолюдской шл1		5 — аварийный шлюз

стальные сборно-разборные инвентарные шлюзовые перегород­ ки, которые могут быть быстро перенесены из одного места в другое По мере подвигания забоя выработки.

На рис. 3.3, а показана конструкция шлюзовой камеры, пе­ регородки в которой выполнены из железобетона, а двери — из стали. Недостатками такой конструкции являются высокая трудоемкость и сложность ее возведения.

Шлюзобая	камера,		в которой	перегородки выполнены	из
монолитного	бетона,	а	шлюзы	из стали, показана на рис.
3.3, б. Достоинством		шлюзовых перегородок, выполненных			из

монолитного бетона, является то, что они обеспечивают наи­

большую плотность всех взаимных примыканий оборудования
и бетона, укладываемого в пластическом состоянии.
Во всех	рассмотренных выше	шлюзовых камерах в их со­
став входит	четыре шлюза: два	нижних — материальные, по

которым Шлюзуют породу, строительные материалы; один верх­ ний для пропуска (шлюзования) людей; второй верхний — аварийный, который служит запасным выходом на случай ава­ рии. Каждый шлюз имеет минимум две двери, которые откры­ ваются в сторону повышенного давления воздуха, после урав­ новешивания давления по обе стороны двери.

Диаметр материальных шлюзов, определяемый по размерам вагонеток, равен 1,8—2,1 м, а диаметр шлюзов для рабочих определяют из условия нахождения в шлюзе стоящих, людей и равен 1,9—2,0 м. Для унификации типоразмеров диаметр шлю­ зов принимают равным 2 м.

Длину материальных шлюзов определяют из условия од­ новременного пропуска партии из трех-четырех вагонеток. Для пропуска партии вагонеток в зону нормального давления по рельсовому пути, уложенному внутри шлюза, необходимо устраивать откидное рельсовое звено длиной 1 м, которое под­ нимают или опускают, при открывании двери в сторону повы­ шенного давления. Длину шлюзов для рабочих назначают из условия размещения на скамьях с обеих сторон всей смены рабочих и технического персонала. Длину скамьи определяют из расчета, 0,4 м на человека.

Аварийный шлюз должен быть постоянно открыт со сторо­ ны забоя. Его длину принимают из расчета, чтобы вместить весь работающий персонал при условии шлюзования стоя.

Геодезический прикамерок устраивают в виде дополнитель­ ного звена аварийного шлюза длиной 1,8—2 м.

Для подачи в зону повышенного давления длинномерных материалов (труб, рельсов, бревен и т. д.) в шлюзовой перего­ родке устраивают специальный шлюз — трубу диаметром 25— 50 см. Через шлюзовую перегородку прокладывают все необ­ ходимые для работы трубы и кабели.

При последовательной схеме расположения шлюзов (см. рис. 3.4) для проходки тоннеля под сжатым воздухом шлюзо­ вую камеру устраивают на расстоянии 10— 15 м от забоя. Пе­ регородки возводят чаще всего из монолитного бетона и сбор-- но-разборных металлических элементов. Толщину перегородок рассчитывают на избыточное давление сжатого воздуха (обыч­ но толщина бетонной перемычки достигает 1 м ).

Шлюз между первой		и второй	перегородками является
грузолюдским. Его длину		принимают	равной 7— 10 м. Шлюз
между	второй и третьей перемычками длиной 3—5 м является
а в а р и й н ы м .
Для	безопасного 'ведения . горнопроходческих работ в ра­

бочей камере должно поддерживаться давление сжатого воз­ духа, необходимое для отжатая воды из забоя выработки. При проходке выработок, расположенных неглубоко от поверхности земли, это давление, как правило, не должно превышать гид­ ростатического напора войы на уровне двух третей высоты за­ боя, т. е.

где Р — давление воздуха; Я — глубина заложения верха тон­ неля от уровня воды; D — наружный диаметр щита.

Такое давление 'принимают для исключения возможности прорыва воды в нижней части забоя, а сжатого воздуха — в.верхней.

Проходка тоннелей под сжатым воздухом в зависимости от гидрогеологических условий может производиться обычными механизированными или специально' оборудованными щитами и, как правило, без перерывов. Разработка породы должна вестись с переборкой крепи ограниченными участками высотой до 30 см и в направлении сверху вниз одновременно во всех ячейках одного яруса. Одновременная разработка породы в нескольких ярусах допустима лишь при оборудовании ноже­ вой части щита разделительными устройствами. Крепление за­ боя необходимо осуществлять гидравлическими забойными домкратами, а в перерывах между передвижками щита при­ меняют дополнительную жесткую крепь. Следует также иметь постоянный запас материалов для быстрой ликвидации проры­ ва воды и грунта. К таким материалам относятся пригнанные по контуру щита доски, запас пакли, глины и мешки с пес­ ком и т. д.

Если трасса тоннеля проходит на небольшой глубине под зданиями или сооружениями и в массиве пород отсутствует надежный воздухоупор, то « этом случае для предотвращения прорыва сжатого воздуха через забой породу обрабатывают специальным пластифицирующим раствором, который снижает фильтрационные свойства грунта. В качестве таких пластифи­ каторов используют глинистые и бентонитовые растворы, взвесь тонкоразмолотого мела или гипса в воде с незначитель­

ными	добавками	жидкого стекла с хлористым кальцием и др.
В	отдельных	случаях для снижения утечек воздуха через

обделку в забое выработки может быть применена полиэтилеН0!вая пленка.

При проведении выработки по неоднородным породам и при

пересечении	твердых пород допускается	применение взрыв­
ных работ.	Заряды взрычатых веществ ’	рассчитывают только

на рыхление породы. При ведении взрывных работ расстоя­ ние от забоя до шлюзовой камеры должно быть не менее 20 м. Запрещается применение взрывных работ при проходке под­ водных тоннелей, если толщина слоя породы над тоннелем ме­ нее 10 м. Если же толщина слоя превышает 10 м, то допуска­ ются взрывные работы с .применением электровзрывания, но лишь при условии использования взрывных машинок и рубиль­

ников закрытого типа.	осуществляют погрузочными машинами,
Погрузку породы
а транспортирование	груженых вагонеток — электровозами.

Монтаж обделки ведут с помощью блокоукладчиков (тюбингоукладчиков), как при обычной щитовой проходке. После сбор­ ки очередного кольца обделки для уменьшения утечки воздуха

зазор между оболочкой щита и обделкой немедленно заделы­ вают паклей с промазкой глиной.

При проходке тоннелей большого диаметра в рабочей зоне необходимо иметь специальные предохранительные устройства, дающие возможность быстро покинуть тонйель: аварийный по­

мост 4, шлюз	и предохранительную (спасательную) перегород­
ку— экран 2	(рис. 3.5). Аварийный помост шириной 1 м по­

мещают в верхней части сечения тоннеля на всем протяжении от щита до шлюзовой перегородки 5. Помост имеет поручни и обособленное освещение, позволяющее различать предметы в тумане. На расстоянии не более 75 м одна от другой устраи­ вают лестницы 3, связывающие -помост с лотковой частью. Предохранительный экран представляет собой воздухонепро­ ницаемую стальную диафрагму, которую размещают в верх-

-ней части тоннеля на расстоянии не более 35 м от щита. В со­ став экрана входит шлюз вместимостью 2—4 чел. Экран пред­ отвращает затопление тоннеля выше уровня нижней кромки, так как его действие основано на принципе водолазного коло­ кола.

Рабочая зона тоннеля должна быть связана прямой теле­ фонной связью с постом дежурного сигналиста, машинистом компрессорной станции и дежурным кессонного здравпункта, а каждый шлюз оборудован раздельными световой и звуковой сигнализациями. Таблица сигналов должна быть вывешена в шлюзовых камерах и у рабочих мест дежурных — сигналист'а и аппаратчика, обслуживающих шлюзы со стороны зоны по­ вышенного давления. Освещение шлюзов электрическое .(на­ пряжение 36 В) с двойным независимым питанием.

Анализ имеющегося опыта проведения тоннелей под сжа­ тым воздухом показывает, что наиболее успешно кессонный способ применяют при пересечении грунтов с коэффициентом фильтрации К < 2 м/сут.

Все многообразие условий залегания песчано-глинистых грунтов с позиции их фильтрационной способности Э. В. Лехтимяки объединил в три основных стереотипных случая, влия­ ния геологического строения на применимость горизонтального кессона (рис. 3.6).

Необходимым- и достаточным критерием надежного и ус­ пешного применения способа щитовой -проходки под сжатым воздухом является сплошное пространственное развитие обвод­ ненных песчано-глинистых грунтов мощностью не »ленее 2 м (коэффициент фильтрации менее 2 м/сут, рис. 3.6,7) или же наличие выше тоннеля выдержанного слоя глины или плотного суглинка мощностью не менее 0,5 м. Такой экран дает возмож­ ность -поддерживать заданное давление воздуха в рабочей ка­ мере.

Наличие в околозабойном пространстве даже незначитель­

но