СПОСОБ ПРОХОДКИ ТОННЕЛЕЙ Российский патент 2007 года по МПК E21D9/04 E02F5/18 

Изобретение относится к подземному строительству, а именно к прокладке тоннелей с применением домкратной установки для продавливания футляра из секций полых протяженных элементов, и предназначено, преимущественно, для проведения тоннелей малого диаметра, в том числе под действующими транспортными магистралями без перерыва движения по ним в условиях слабых грунтов, а также при возведении тоннелей в теле существующих насыпей или под насыпями.

Известен способ бестраншейной прокладки труб под земляной насыпью методом продавливания. Усилия для продавливания трубы под земляной насыпью составляют от 15 до 40 т на 1 м периметра ножа. Для этого применяют домкраты с давлением 110-170 т и ходом штока в 2,1 м. Такое оборудование является достаточно громоздким, дорогостоящим, а применение его возможно только в специализированных для этого организациях (См. Гос. изд-во литературы по стр-ву, архитектуре и стройматериалам. - М.: 1958 г., стр.6-9, рис.1, 2).

Известен способ прокалывания грунта под земляными насыпями. Прилагаемые при этом способе усилия значительно ниже, чем у приведенного аналога. Однако такой способ применим для труб диаметром не более 600 мм и также в специализированных организациях, обладающих таким сложным и дорогостоящим оборудованием (См. Типовые проектные решения 909-09-9. Переходы трубопроводами водопровода и канализации под ж/д путями на станциях и перегонах и под автомобильными дорогами. Альбом 1. Введены в действие приказом МПС М-44998 от 28.11.79).

Известен способ возведения подземного сооружения с использованием микротоннелирования. Включает образование в грунте над перекрытием возводимого сооружения горизонтального и в зонах внешних его стен вертикальных защитных экранов путем продавливания полых протяженных элементов с помощью микротоннелепроходческого комплекса с одновременной подачей тиксотропного раствора, разработку грунта в объеме возводимого сооружения под защитой экранов заходками с креплением лба забоя, установкой поддерживающих рам с временными и постоянными колоннами и возведение обделки (см. описание изобретения к патенту РФ № 2198263, МПК⁷ E02D 29/00, E21D 9/00, опубл. 10.02.2003).

Недостатками известного способа является сложность и затратность, которая заключается в необходимости применения микротоннелепроходческого комплекса с одновременной подачей тиксотропного раствора для уменьшения трения между продавливаемыми элементами и грунтом.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, используемый для продавливания труб при бестраншейной прокладке. Способ состоит в том, что прокладываемую трубу открытым концом вдавливают в массив грунта, а грунт, поступающий в трубу в виде плотного керна (пробки), разрабатывают и удаляют. Способом продавливания ведут прокладку не только стальных труб, но и железобетонных коллекторов и тоннелей из элементов различной замкнутой по периметру формы. При продавливании применяют особо мощные нажимные установки из нескольких домкратов (Прокладка труб способом продавливания; http: www.sbh.ru/articles/artl_6.htm; см. приложение прототип).

Недостатком способа является необходимость продавливания футляра целиком, усилие при этом растет по мере добавления секций и вытекающего отсюда увеличения силы трения о возрастающую поверхность.

Задачей и техническим результатом данного изобретения является повышение эффективности продавливания, снижение максимальных усилий при продавливании грунта.

Указанный технический результат достигается тем, что используют способ проходки тоннелей, включающий продавливание массива грунта полым протяженным элементом, выборку керна, продавливание соосно с ранее продавленным полым протяженным элементом, по меньшей мере, одним последующим полым протяженным элементом, выборку керна и соединение элементов между собой в тоннель, перед продавливанием последующего полого протяженного элемента его вводят внутрь ранее продавленного полого протяженного элемента, а после продавливания последующего протяженного полого элемента и выборки из него керна габаритные размеры его поперечного сечения увеличивают до габаритных размеров поперечного сечения ранее продавленного полого протяженного элемента.

Кроме того, габаритные размеры поперечного сечения последующего полого протяженного элемента могут уменьшать до его введения в ранее продавленный полый протяженный элемент до величин, не превышающих габаритных размеров проходного сечения ранее продавленного полого протяженного элемента, а после продавливания и выборки керна могут увеличивать до первоначальных габаритных размеров.

Кроме того, для уменьшения размера поперечного сечения полого протяженного элемента могут использовать продольное разрезание полого протяженного элемента, сворачивание его в спираль и фиксацию такого состояния внутренними стяжками.

Кроме того, в качестве последующих полых протяженных элементов могут применять отрезки труб, габаритные размеры поперечных сечений которых после продавливания и выборки керна могут увеличивать.

Кроме того, в качестве ранее продавливаемого полого протяженного элемента могут применять отрезок трубы, габаритные размеры поперечного сечения которой после продавливания и выборки керна могут увеличивать, а увеличение габаритных размеров поперечных сечений последующих полых протяженных элементов могут производить до габаритных размеров ранее продавленных полых протяженных элементов.

Кроме того, для увеличения габаритных размеров поперечного сечения каждого полого протяженного элемента могут использовать, по меньшей мере, один домкрат.

Суть заявляемого изобретения в том, что одномоментно на грунт воздействует только один полый протяженный элемент, который благодаря своему изменяемому сечению подается к месту продавливания и воздействия на грунт внутри ранее установленных полых протяженных элементов. Поэтому отсутствует движение и трение о грунт всего наращиваемого футляра из полых протяженных элементов. Данное сопротивление является весьма существенным.

Так для трубы диаметром 1000 мм и S (1 метра погонного) = 31400 см² при трении, согласно рекомендациям Р=0,5 кг/см² (трение о грунт) усилие на 1 м/п составит 15700 т, на 100 м потребуется установка мощностью 1570 т. Работа такой установки при проколах под дорогой и насыпью неизбежно приведет к смещению насыпи в сторону прокола. К тому же подвижки - грунта при заборе и уплотнении керна в трубе приведут к подвижкам - расширению грунта в стороны от оси прокола от 3-х до 5-ти диаметров трубы. Сопротивление же перед торцом трубы, заполненной керном, составит не более 75-80 т. В заявляемом изобретении сопротивление грунта преодолевает только полый протяженный элемент, который непосредственно продавливает грунт в данный момент времени. Затем - следующий полый протяженный элемент, поданный внутри готовой части подземного сооружения к месту продавливания грунта.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено:

Фиг.1 Продавливание первоначального полого протяженного элемента;

Фиг.2 Разрезание последующего полого протяженного элемента;

Фиг.3 Установка на стенках последующего разрезанного полого протяженного элемента опор;

Фиг.4 Сворачивание в спираль последующего полого протяженного элемента и фиксация этого состояния с помощью стяжек;

Фиг.5 Доставка к месту продавливания последующего полого протяженного элемента;

Фиг.6 Продавливание последующего полого протяженного элемента;

Фиг.7 Увеличение габаритных размеров поперечного сечения последующего полого протяженного элемента и его соосная установка по предыдущему полому протяженному элементу;

Фиг.8 Соединение полых протяженных элементов между собой;

Фиг.9 Общая схема тоннеля из соединенных полых протяженных элементов;

Фиг.10 Продольное разрезание последующего полого протяженного элемента после продавливания для варианта с продавливанием целых полых протяженных элементов и последующего увеличения габаритных размеров их поперечного сечения;

Фиг.11 Увеличение габаритных размеров поперечного сечения последующего полого протяженного элемента и соосная его установка с предыдущим полым протяженным элементом.

На Фиг.1 изображено: полый протяженный элемент 1, продавливаемый первоначально в массив грунта, домкратная установка 2 для продавливания первоначального полого протяженного элемента; опора 3 домкратной установки; керн 4 грунта, который попадает внутрь продавливаемого полого протяженного элемента при продавливании; массив грунта 5, который продавливается полыми протяженными элементами; на чертеже указано стрелкой направление продавливания.

На Фиг.2 изображено: последующий полый протяженный элемент 6, вид с торца; разрез 7 полого протяженного элемента 6, выполненный вдоль последующего полого протяженного элемента; указан первоначальный диаметр D габаритных размеров поперечного сечения последующего полого протяженного элемента 6.

На Фиг.3 изображено: опоры 8, которые привариваются внутри последующего полого протяженного элемента 6.

На Фиг.4 изображено: последующий полый протяженный элемент 6 свернутый в спираль, вид с торца; стяжки 9, которые стягивают противоположные опоры 8 и фиксируют спиралевидное состояние последующего полого протяженного элемента; уменьшенный диаметр d габаритных размеров поперечного сечения последующего полого протяженного элемента 6.

На Фиг.5 изображено: первоначальный полый протяженный элемент 1; массив грунта 5, который продавливается полыми протяженными элементами; последующий полый протяженный элемент 6, который в спиралевидном состоянии подается к вдавленному торцу первоначального полого протяженного элемента 1 с находящимися внутри него стяжками 9; на чертеже указано стрелкой направление подачи элемента 6; опоры 8, которые установлены внутри начального полого протяженного элемента.

На Фиг.6 изображено: массив грунта 5, который продавливается полыми протяженными элементами; последующий полый протяженный элемент 6, который в спиралевидном состоянии, но без стяжек, продавливается в массив грунта 5; опоры 8, которые установлены внутри начального полого протяженного элемента; домкраты 10, которые продавливают последующий полый протяженный элемент 6, опираясь на опоры 8; на чертеже указано стрелкой направление продавливания последующего полого протяженного элемента 6.

На Фиг.7 изображено: первоначальный полый протяженный элемент 1; массив грунта 5, который продавливается полыми протяженными элементами; последующий полый протяженный элемент 6, который продавлен в массив грунта 5; разжимное гидравлическое устройство на основе домкрата 11, выполняющее одновременно функции внутреннего центратора для продавленного полого протяженного элемента и первоначального полого протяженного элемента 1.

На Фиг.8 изображено: первоначальный полый протяженный элемент 1; массив грунта 5, который продавливается полыми протяженными элементами; последующий полый протяженный элемент 6, который продавлен в массив грунта 5; на чертеже показано сваривание продавленных полых протяженных элементов 1 и 6.

На Фиг.9 изображено: первоначальный полый протяженный элемент 1; последующие полые протяженные элементы 6², 6³, 6⁴, 6⁵, соединенные все вместе в тоннель.

На Фиг.10 изображено: первоначальный полый протяженный элемент 1; массив грунта 5, который продавливается полыми протяженными элементами; последующий полый протяженный элемент 6, который подается во внутрь ранее продавленного полого протяженного элемента целым и продавливается целым; разрезающее устройство 12, которое осуществляет разрез последующего полого протяженного элемента 6 после его продавливания в массив грунта 5.

На Фиг.11 изображено: первоначальный полый протяженный элемент 1; массив грунта 5, который продавливается полыми протяженными элементами; последующий полый протяженный элемент 6, продавленный в грунт и разрезанный после продавливания; разжимное гидравлическое устройство на основе домкрата 11, выполняющее одновременно функции внутреннего центратора для продавленного полого протяженного элемента и первоначального полого протяженного элемента.

Заявленный способ осуществляется следующим образом.

При проходке первоначально продавливается направляющая труба - первоначальный полый протяженный элемент 1 на 1-3 м. Соответственно усилие не превысит 35-50 т - в зависимости от вида грунта. Затем производится отбор керна 4 грунта из направляющей трубы до ее задавленного торца. В данном случае не будет наблюдаться подвижек грунта, т.к. керн в трубе не успеет уплотнится. Обрушений грунта также не произойдет, поскольку задавленная труба уже является крепью.

Внутрь очищенной от керна трубы подаются саморазворачивающиеся втулки, последующие полые протяженные элементы 6, изготовленные из этой же трубы и имеющие длину не более 1-1,5 м. Внутри направляющей трубы, в конце забоя, втулки расправляются до соприкосновения с внутренними стенками направляющей трубы, и осуществляется их продавливание в грунт домкратами 10 с усилием 10-20 тонн, с опиранием на опоры 8 в первоначальном полом протяженном элементе 1. Продавливание происходит или на всю длину втулки, или на несколько десятков сантиметров с постоянным отбором грунта. Отбор грунта не опережает движение втулки. Полый протяженный элемент 6 подается вперед до полного выхода из первоначального полого протяженного элемента 1. Полый протяженный элемент имеет диаметр d меньший, чем первоначальный D, не менее чем на 2 толщины стенки. Для разжима его в грунте до диаметра направляющей трубы используется разжимное гидравлическое устройство на основе домкрата 11, выполняющее одновременно функции внутреннего центратора для последующего продавленного полого протяженного элемента и первоначального полого протяженного элемента.

В зависимости от требований по прочности к футляру тоннеля (а он не обязательно должен быть герметичным) производится либо полная, либо частичная сварка поперечного стыка между последующим полым протяженным элементом и первоначальным полым протяженным элементом и продольного разреза 7, выполненного на самом последующем продавленном полом протяженном элементе.

Данная последовательность работ повторяется, пока не будет смонтирован весь тоннель.

Фиг.10 и 11 иллюстрируют иной вариант заявляемого способа. Продавливание и первоначального и последующих полых протяженных элементов осуществляется целыми. После продавливания в массив грунта 5 осуществляется продольное разрезание устройством 12, например дисковой пилой. Затем осуществляется увеличение габаритных размеров поперечного сечения разжимным гидравлическим устройством на основе домкрата 11, выполняющим одновременно функции внутреннего центратора для последующего продавленного полого протяженного элемента и первоначального полого протяженного элемента. Увеличение габаритных размеров производится на величину не менее двух толщин стенок с тем, чтобы и в первоначальный полый протяженный элемент 1 и в присоединенный к нему последующий полый протяженный элемент 6 можно было после выборки керна подавать другие цельные последующие полые протяженные элементы. В продольный разрез данного варианта применения способа можно впоследствии вваривать полосы или перемычки для закрепления свода тоннеля. Плюсы данного способа очевидны.

Во-первых, в отличие от горизонтального бурения или микротоннелирования не используются буровые тиксотропные растворы, закачиваемые в пространство между поверхностью грунта и секциями тоннеля. Это обеспечивает возможность работы в просадочных грунтах и грунтах с большой фильтрационной способностью (песок, щебень, супесь и т.д.).

Во-вторых, усилия, прикладываемые к полым протяженным элементам при продавливании, незначительны и не способны привести к подвижкам или уплотнению грунта. Оборудование компактно, и не происходит нарастание усилия по мере продавливания следующих полых протяженных элементов. Усилие остается постоянным.

В-третьих, не происходит обрушение грунта, поскольку выбор грунта происходит уже из внутреннего пространства полого протяженного элемента.

В-четвертых, продавливание происходит непосредственно в забое, что позволяет корректировать направление продавливания, используя разжиматель-центратор и домкраты.

В случае, если трасса проходки имеет значительные изменения в плане и профиле, возможно применение более коротких втулок.

Для получения более жесткого сооружения возможно усиление футляра из полых протяженных элементов наваркой внутренних продольных и поперечных ребер.

В случае обводненных грунтов работы могут производиться с использованием кессонов и шлюзовых камер под повышенным давлением, или с временным закреплением грунта замораживанием, или с использованием химических способов закрепления грунта.

Заявленный способ может быть осуществлен с помощью известных в области техники средств и компонентов и соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Изобретение относится к подземному строительству, а именно к проходке тоннелей с применением домкратной установки для продавливания футляра из секций полых протяженных элементов, и предназначено, преимущественно, для проведения тоннелей малого диаметра, в том числе под действующими транспортными магистралями без перерыва движения по ним в условиях слабых грунтов, а также при возведении тоннелей в теле существующих насыпей или под насыпями. Обеспечивает повышение эффективности продавливания, снижение усилий и потребляемой мощности при проходке тоннелей. Способ включает продавливание массива грунта полым протяженным элементом, выборку керна, продавливание соосно с ранее продавленным полым протяженным элементом, по меньшей мере, одним последующим полым протяженным элементом, выборку керна и соединение элементов между собой в тоннель. Перед продавливанием последующего полого протяженного элемента его вводят внутрь ранее продавленного полого протяженного элемента. После продавливания последующего протяженного полого элемента и выборки из него керна габаритные размеры его поперечного сечения увеличивают до габаритных размеров поперечного сечения ранее продавленного полого протяженного элемента. 5 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ проходки тоннелей, включающий продавливание массива грунта полым протяженным элементом, выборку керна, продавливание соосно с ранее продавленным полым протяженным элементом, по меньшей мере, одним последующим полым протяженным элементом, выборку керна и соединение элементов между собой в тоннель, отличающийся тем, что перед продавливанием последующего полого протяженного элемента его вводят внутрь ранее продавленного полого протяженного элемента, а после продавливания последующего протяженного полого элемента и выборки из него керна габаритные размеры его поперечного сечения увеличивают до габаритных размеров поперечного сечения ранее продавленного полого протяженного элемента.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что габаритные размеры поперечного сечения последующего полого протяженного элемента уменьшают до его введения в ранее продавленный полый протяженный элемент до величин, не превышающих габаритных размеров проходного сечения ранее продавленного полого протяженного элемента, а после продавливания и выборки керна увеличивают до первоначальных габаритных размеров.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для уменьшения размера поперечного сечения полого протяженного элемента используют продольное разрезание полого протяженного элемента, сворачивание его в спираль и фиксацию такого состояния внутренними стяжками.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве последующих полых протяженных элементов применяют отрезки труб, габаритные размеры поперечных сечений которых после продавливания и выборки керна увеличивают.5. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве ранее продавливаемого полого протяженного элемента применяют отрезок трубы, габаритные размеры поперечного сечения которой после продавливания и выборки керна увеличивают, а увеличение габаритных размеров поперечных сечений последующих полых протяженных элементов производят до габаритных размеров ранее продавленных полых протяженных элементов.6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что для увеличения габаритных размеров поперечного сечения каждого полого протяженного элемента используют, по меньшей мере, один домкрат.