СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ТОННЕЛЯ Российский патент 2013 года по МПК E21D9/00 

Изобретение относится к области строительства, а именно к сооружению тоннелей горным способом.

Известен способ сооружения тоннелей, содержащий операцию разработки грунта комбайном или буровзрывным методом, операцию сооружения крепи (установку анкеров, арок и сеток, укладку бетона или набрызгбетонирование), операцию транспортировки разработанного грунта и материалов крепления («Справочник инженера-тоннельщика», М., Транспорт, 1992, с.157, 159, 188, 193, 350).

Недостаток данного способа заключается в неопределенности свойств грунтов впереди забоя, поскольку грунты обладают большой изменчивостью свойств, а инженерно-геологические прогнозы отличаются большими неточностями. Неожиданная встреча проходкой тектонического разлома (зоны резкого снижения прочности грунта) чревата возможностью аварий.

Известен способ сооружения тоннелей, дополнительно содержащий операцию разведочного бурения (С.Н.Власов «Байкало-Амурская магистраль. Технический отчет», ТИМР, 1999, с.95, с.118).

Недостаток данного способа заключается в ощутимом замедлении скорости проходки ввиду больших затрат времени на операции бурения нескольких разведочных скважин в забое, поэтому опережающее разведочное бурение применяют, как правило, только в местах ожидаемого пересечения с тектоническими разломами и постоянный контроль качества грунта впереди забоя при проходке тоннеля отсутствует.

Задача предлагаемого способа заключается в организации постоянного контроля качества грунта впереди забоя, что, кроме предупреждения аварий, дает возможность корректировки технологии проходки с целью увеличения ее скорости и конструкции временной крепи с целью повышения ее экономичности.

Для получения указанного технического результата в технологический цикл для сооружения тоннеля, содержащий операцию разработки грунта с его транспортировкой, операцию крепления выработки на разработанной заходке набрызгбетоном толщиной t, возможно с анкерами, арками и сеткой, включают операцию геофизического замера плотности Р горных пород на длине L_и в призабойной зоне, а длина L_з. намечаемой заходки и толщина t слоя бетона выполнены переменными по длине тоннеля с целью повышения скорости проходки и уменьшения расхода бетона. При этом L_з=V/Т (м), где V - скорость проходки выработки (м/сутки), определяемая применяемым проходческим оборудованием, а T - время устойчивого состояния выработки.

T определяется по корреляционной зависимости.

T=0.246*К_у ³-1.618*К_у ²+3.744К_у-2.575 (сутки); 0<T<10;

К_у - коэффициент устойчивости неподкрепленной выработки,

К_у=(0.7÷1.3)*R/Σ(γ_i*H_i); (безразмерная) 1.0<К_у<10;

R - прочность горной породы на сжатие,

R=18.378*P-40.45, (МПа); 2.25≤P≤2.55, т /м³;

t определяется расчетом конструкции крепи на нагрузку q,

q=γ*h;

h=B/(0.1*R);

где В - пролет выработки (м);

γ - плотность горной породы в своде (т/м³);

h - высота свода обрушения (м).

Кроме того, принимается для большей безопасности работ, что

Σ₁ ⁿL_з,i≤0.5L_и, где n - число заходок после проведения одного геофизического измерения плотности грунтов впереди забоя, при этом L_и=(20÷40) м, L_и≤3 H,

где H - высота выработки.

Сущность заявляемого способа поясняется схемой на чертежах, где

на фиг.1 схематически представлен технологический комплекс для сооружения тоннеля;

на фиг.2 представлен пример прогноза плотности грунтов по результатам геофизических измерений на длине L_и=30 м;

на фиг.3 представлены результаты испытаний образцов полускальных горных пород на одноосное сжатие;

на фиг.4 показан график распределения плотности грунтов перед забоем тоннеля №1 на Северном портале (пример осуществления способа);

на фиг.5 показан график распределения плотности грунтов перед забоем тоннеля №1 на Южном портале (пример осуществления способа).

Технологический цикл для сооружения тоннеля 1 содержит операцию разработки грунта комбайном или буровзрывным методом и операцию сооружения крепи (установку анкеров, арок и сеток, укладку бетона или набрызгбетонирование) с помощью оборудования 2, а также операцию определения плотности грунтов впереди забоя геофизическими методами с помощью приборов 3 на некоторое расстояние L_и, в призабойной зоне 4 длиной L_и, очерченную контуром 5, подлежащую последующей проходке заходками 6 длиной L_з.

Результатом геофизических измерений является график плотности грунтов впереди забоя на длине L_и (пример графика на фиг.2).

Испытания образцов полускальных горных пород на сжатие показали четкую зависимость прочности от плотности породы (фиг.3).

Используя эту корреляционную зависимость между плотностью и прочностью горной породы на сжатие R (для полускальных горных пород R=18.378*P-40.45, где R в МПа, а Р в т/м³, причем 2.25≤Р≤2.55), получим распределение прочности горной породы перед забоем на длине L_и.

Для оценки устойчивости выработки в зависимости от прочности вмещающих грунтов использован метод интегральной оценки устойчивости обнажений по конфигурации и размерам возможных зон разрушения пород вокруг выработки [Н.С.Булычев. «Механика подземных сооружений», М.: «Недра», 1994].

Сущность метода заключается в сравнении прочности горных пород R_c на сжатие с величинами бытовых вертикальных напряжений γН в определенной точке трассы тоннеля с учетом пластических свойств горных пород. Критерий устойчивости круговых выработки имеет вид:

R_c*K_s≥γ*H*К_σ, или K_уст=R_c*K_s/(γ*H*K_σ)≥1,

где K_s=1+(П_ε ^sinφ-1)/sinφ - коэффициент повышения устойчивости пород за счет пластичности,

К_σ - коэффициент концентрации напряжений на контуре выработки,

φ - угол внутреннего трения горной породы,

Пε=ε_с/ε_у=Е_упр/Е_деф - отношение полной деформации к упругой.

Однако использование сложных теоретических зависимостей в производственных условиях не всегда удобно, поэтому были выведены приближенные корреляционные зависимости.

Приближенно коэффициент устойчивости может быть определен по формуле

K_y=(0.7÷1.3)*R/Σ(γ_i*H_i),

где Σ(γ_i*H_i) - собственный вес слоев i горных пород над выработкой.

На основе такой оценки устойчивости неподкрепленной выработки экспериментально получена таблица зависимости времени стояния от показателя устойчивости (таблица).

По средним значениям диапазонов показателей устойчивости была получена корреляционная зависимость времени стояния T неподкрепленной выработки от показателя устойчивости.

T=0.246*К_у ³-1.618*К_у ²+3.74 К_у-2.575 (сутки).

Длина заходки L_з=V/T,

где V - скорость проходки выработки, определяемая наличным оборудованием (м/сутки).

Таблица Категории устойчивости горных пород № п/п Показатель устойчивости Степень устойчивости Допустимое время обнажения Рекомендации по креплению 1 >5.5 Вполне устойчивый до 10 суток Анкерная и/или обрызгбетонная крепь 2 3÷5.5 Устойчивый до 3 суток Арочно-набрызгбетонная (бетонная) крепь с анкерами или без них 3 1.5÷3 Средней устойчивости до 10 часов Арочно-набрызгбетонная (бетонная) с анкерами (или без них) + набрызг-бетон на свод и забой 4 1÷1.5 Слабоустойчивый до 3-х часов Арочно-набрызгбетонная (бетонная) + немедленный набрызг-бетон на свод и забой 5 <1 Неустойчивый не допускается Спецспособ (экран из труб, предв. укрепление)+набрызг бетон и анкера, в т.ч. на лоб забоя

Используя известную зависимость

f_кр=0.1*R,

где R в МПа,

f_кр = коэффициент крепости грунтов по Протодьяконову,

определяют высоту свода обрушения и ожидаемые нагрузки q на крепь выработки,

q=γ*h;

h=B/(0.1*R);

где B - пролет выработки (м);

γ - плотность горной породы в своде (т/м³);

h - высота свода обрушения (м).

Расчетом находят толщину крепи t по известной расчетной модели Метропроекта с учетом модуля деформаций горных пород, также полученного путем геофизических измерений.

После сооружения выработки ориентировочно на длине 0.5L_и геофизические измерения плотности грунтов впереди забоя повторяют и выполняют прогноз устойчивости выработки с корректировкой длины заходки и толщины крепи.

Эффективность способа сооружения тоннеля определяется созданием метода постоянного контроля качества грунтов призабойной зоны с учетом их реального состояния от воздействия концентрации напряжений перед забоем, что исключает возникновение аварийных ситуаций из-за неточностей предварительного прогноза состояния грунтов и дает возможность корректировать величину заходки и толщину временной крепи выработки. Величина заходки влияет на скорость проходки выработки, а толщина временной крепи - на материалоемкость конструкции.

Пример осуществления способа

Опытная проверка предлагаемого способа была осуществлена на строительстве тоннеля №1 на автомагистрали «Дублер Курортного проспекта» в г.Сочи (научно-технический отчет ЦНИИС по договору «Горно-экологический мониторинг на объекте «Строительство центральной автомагистрали г.Сочи «Дублер Курортного проспекта» от км 172 федеральной автодороги М-27 Джубга-Сочи (р.Псахе) до начала обхода города Сочи ПК 0 (р.Агура) с реконструкцией участка автомобильной дороги от ул.Земляничная до Курортного проспекта, Краснодарский край (1 очередь от р.Агура до ул.Земляничной») этап 2).

На фиг.4 и фиг.5 показаны графики распределения плотности грунтов впереди забоев Северного и Южного порталов тоннеля №1. На основе этих измерений определены показатели устойчивости:

- 4-ая категория устойчивости выявлена на участках ПК9+84.5-ПК9+88.2, ПК9+91-ПК9+92.8, которые характеризуются слабой степенью устойчивости с допустимым временем обнажения менее 10 часов и рекомендациями по креплению забоя - немедленный набрызг бетона на свод и забой;

- 3-я категория устойчивости выявлена на участках ПК9+68-ПК9+69.8, ПК9+74.5-ПК9+84.5, которые характеризуются как средней степени устойчивости с допустимым временем обнажения менее 1 суток и рекомендациями по креплению забоя - набрызгбетон на свод и забой;

- 2-ая категория устойчивости выявлена на участках ПК9+66.9-ПК9+68, ПК9+69.8-ПК9+74.5, ПК9+88.2-ПК9+91, ПК9+92.8-ПК9+96.9, которые характеризуются как устойчивые с допустимым временем обнажения менее 3 суток и рекомендациями по креплению забоя - арочно-бетонная крепь.

Результаты геофизического прогноза плотности грунтов впереди забоя в совокупности с результатами наблюдений за деформациями первичной крепи калотты на участке ПК 8+74.62-ПК 10+50.00 позволили принять решение об отказе от установки железобетонных анкеров в свод и стены выработки, предусмотренных рабочим проектом 2009-70-Т1-37, 2009-70-Т1-42 и 2009-70-Т1-61. Решение принималось комиссией в составе представителей строителей, проектировщиков и заказчика.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для строительства тоннелей. Техническим результатом является предупреждение аварий, возможность корректировки технологии проходки с целью увеличения ее скорости и конструкции временной крепи с целью повышения ее экономичности, повышение безопасности ведения подземных работ. Способ сооружения тоннеля включает операции разработки грунта с его транспортировкой, крепления выработки на заходке набрызгбетоном, возможно с анкерами, арками и сеткой, операцию геофизического замера плотности горных пород в призабойной зоне, по результатам которого корректируется длина намечаемой заходки и толщина слоя набрызгбетона временной крепи с целью повышения скорости проходки и уменьшения расхода бетона. 1 табл., 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ сооружения тоннеля, содержащий операцию разработки грунта с его транспортировкой, операцию крепления выработки на разработанной заходке набрызгбетоном толщиной t, возможно с анкерами, арками и сеткой, отличающийся тем, что он включает операцию геофизического замера плотности Р горных пород на длине L_и в призабойной зоне, а длина L_з намечаемой заходки и толщина t слоя бетона выполнены переменными по длине тоннеля с целью повышения скорости проходки и уменьшения расхода бетона, при этом
L_з=V/T, (м),
где V - скорость проходки выработки (м/сутки), определяемая применяемым проходческим оборудованием;
Т - время устойчивого состояния неподкрепленной выработки,
T=0,246·К_у ³-1,618·К_у ²+3,744К_у-2,575 (сутки); 0<Т<10;
К_у - коэффициент устойчивости неподкрепленной выработки,
К_у=(0,7÷1,3)·R/∑(γ_i·H_i); (безразмерная) 1,0<К_у<10;
R - прочность горной породы на сжатие,
R=18,378·P-40,45, (МПа); 2,25≤Р≤2,55, т/м³;
t - определяется расчетом конструкции крепи на нагрузку q
q=γ·h;
h=B/(0,1·R);
где В - пролет выработки (м);
γ - плотность горной породы в своде (т/м³);
h - высота свода обрушения (м).

2. Способ сооружения тоннеля по п.1, отличающийся тем, что ∑₁ ⁿL_з,i≤0,5L_и, где n - число заходок после проведения одного геофизического измерения плотности грунтов впереди забоя, при этом L_и=(20÷40) м, L_и≤3H, где Н - высота выработки.