692

из монолитного бетона; 1 — машина ПМС; 2 — проходческий полок; 3 — подвеска полка; 4 — прижимы; 5 — домкраты системы распора полка; 6 — направляющий станок; 7 — лестница; 8 — канат подвески машины;

9 — ограждение; 10 — бадья; 11 — автокран; 12 — опалубка

2.3.2. Комплекс для проходки стволов КСО

Комплекс КСО предназначен для проходки стволов диаметром 5,1 и 5,5 м в свету со сборной опускной крепью в неустойчивых грунтах (рис. 2.11) [41, 43]. Характеристики комплекса КСО приведены в табл. 2.3.

Погрузочную машину и подъемный комплекс можно применять в стволах разных диаметров, используя специальные стяжки между рамой погрузочной машины и двумя тележками перемещения по монорельсу. При разрыхлении грунтов по внутренней поверхности ножа подают воду под давлением с целью предохранения ножа от повреждения. Кроме того, подъемный комплекс можно использовать при проходке тоннелей, применяя вагонетки типа ВГ-1,0.

Рис. 2.11. Комплекс оборудования КСО для проходки неглубоких стволов

Таблица 2.3

Характеристики комплекса КСО

После монтажа комплекса проходческий цикл начинается с разработки, погрузки и выдачи грунта ядра забоя с оставлением бермы по периметру ствола. Одновременно с монтажного полка производят монтаж кольца крепи и обтяжку болтовых соединений. После выемки грунта и монтажа крепи домкратной системы осуществляют задавливание опускной крепи. При этом по всей внутренней поверхности ножа через отверстия под давлением подается вода. Остальные операции производятся по традиционной схеме опускного способа.

Применение комплекса позволяет максимально механизировать разработку, погрузку и выдачу грунта, повысить надежность конструкций при работе на большой глубине.

2.3.3. Навесные виброгрейферы серии ПВ

Бывшим Всесоюзным научно-исследовательским институтом гидромеханизации строительства (ВНИИГС, Ленинград) были разработаны и внедрены в производство эффективные навесные виброгрейферы для проходки вертикальных выработок различного назначения (рис. 2.12): шахтных стволов, скважин для устройства набивных свай, выработок для фундаментов любого очертания, опор на сваях-оболочках, устройства противофильтрационных и дренажных систем и т.д. (табл. 2.4).

Виброгрейферы могут применяться в песчаных и глинистых грунтах консистенции от твердой до полутвердой, в том числе под водой [41].

Таблица 2.4

Характеристики виброгрейферов ПВ

Рис. 2.12. Технологические операции цикла работы виброгрейфера:

а— принудительное вибрационное погружение грунтозаборника в грунт;

б— извлечение виброгрейфера с грунтом посредством дополнительного режима колебаний и статического усилия крана; в

—принудительная вибрационная разгрузка грунта в отведенное место или транспортное средство

Особенностями виброгрейферной установки являются: легкость монтажа на любом грузоподъемном средстве с помощью строп; низкая энергоемкость разработки грунтов вследствие отсутствия процесса их разрыхления; простота замены грунто-заборника в зависимости от формы и размеров сечения. В тресте «Спецтоннельстрой» (Ленинград) была создана экскаваторно-ба-ровая установка на гусеничном ходу ШЭБУ-1. Все перечисленное выше (в п. 2.3) оборудование лишено основных недостатков, присущих оборудованию предшествующих типов (КС-3, «Темп-1», «Темп- 2», КПШ-2, КПШ-3), — тросовой подвески, ручного управления. Нет необходимости зачистки

забоя и стенок ствола, повышена эффективность и пр. Дальнейшее совершенствование комплексов предполагает возможность использования АСУ.

2.4.Сооружение шахтных стволов погружением крепи

втиксотропной оболочке

2.4.1.Сущность способа и условия применения

Впоследние годы около 95 % шахтных стволов в неустойчивых водоносных грунтах сооружается методом погружения крепи в тиксотропной «рубашке»-оболочке (ПКТО), отличающимся простотой технического решения, надежностью, ограниченными потребностями

вдополнительной технике, небольшими затратами времени на оснащение шахтной площадки и подготовку к проходке ствола. С внедрением такой технологии впервые была реализована идея безлюдной проходки ствола, с выполнением всех основных работ на поверхности при высокой степени механизации процессов, что позволило резко повысить производительность труда. Характерно, что на первое внедрение этого технического решения на стволе № 832 СМУ № 6 Мосметростроя с учетом проектной проработки и согласования было затрачено всего два месяца.

При одновременном сооружении СМУ № 8 двух рядом расположенных стволов № 518

и 518-бис в практически одинаковых гидрогеологических условиях, применение метода ПКТО (вместо замораживания грунтов) в первом из них позволило снизить стоимость проходки в 2,5 раза, затраты труда — в 3 раза и сократить срок проведения работ на 6 мес. Оперативность реализации данной технологии базировалась на опыте, накопленном в годы войны, когда в 1943 г. началось строительство Кольцевой линии Московского метрополитена, где не было возможности применить предварительное замораживание грунтов. Тогда впервые был использован способ опускного колодца с активной нагрузкой, создаваемой гидравлическими домкратами. Это дало возможность погружать тюбинговую крепь на глубину 20–25 м, но при ручной разработке грунта и забойном водоотливе из опережающего зумпфа. Домкраты имели ручной привод и малый ход штока 200–400 мм, что создавало дополнительные трудности. К тому времени еще не был известен способ снижения сопротивления трения крепи о грунт за счет тиксотропной оболочки (он был изобретен доцентом МИИТа Н.И. Озеровым в 1945 г.). Подробно сущность способа изложена в работах [14, гл. 2; 18, гл. VIII; 20, гл. 15; 38, п. 30.1; 41, 4.3, п. 1.2] и в данном пособии не рассматривается.

В общем случае для сооружения шахтных стволов методом ПКТО в течение более 50 лет применяли сборные обделки из чугунных и железобетонных элементов и оборудование, приведенное в табл. 2.5.

Таблица 2.5

Способ предполагает выполнение следующих операций: разработку забоя с выдачей грунта на поверхность; бункеризацию грунта; погружение крепи; монтаж сборных колец крепи; приготовление и транспортировку тиксотропного раствора; подъемно-транспортные операции, связанные с сооружением ствола. В качестве рабочего органа для разработки забоя, выдачи грунта на поверхность и погрузки ее в автотранспорт ранее широко применяли одноканатные

проходческие четырехлопастные грейферы типа «Темп» конструкции института «ЦНИИподземмаш» емкостью 0,5–0,8 м (рис. 2.13).

а) б)

Рис. 2.13. Грейферы «Темп-1» (а) и «Темп-2 (б): 1 — труба упорная; 2 — каретка

Конструкция этих грейферов позволяет разрабатывать грунты под слоем воды методом подводного землечерпания. При этом грейфер «Темп-1» разгружается только при опирании его на площадку, а грейфер «Темп-2» оборудован специальным устройством для фиксирования разгрузки на заданной высоте (на весу). Однако для более эффективной разработки забоя, особенно плотных глинистых грунтов, рекомендуется применять грейфер «Темп-1».

Спомощью этого оборудования при составе звена из 4 человек (один машинист крана

итри проходчика) скорость продвигания забоя в смену составляет около 1 м, а производительность на одного проходчика — 0,33 м готового ствола в смену.

С1969 г. на Московском метрострое погружением крепи в тиксотропной оболочке было сооружено около 50 шахтных стволов. На строительстве Киевского метрополитена по этой технологии пройдено более 30 стволов. Внедрена она также в Санкт-Петербурге и на других объектах транспортного назначения. Кроме того, этот метод успешно применяется при строительстве водозаборных объектов, заглубленных фундаментов под тяжелое технологическое оборудование, подземных помещений в заводских цехах (бункеры, накопители и т.п.) и, что особенно важно, при реконструкции предприятий без остановки их основного производства. В общей сложности по данной технологии построено более тысячи объектов. При этом экономический эффект составил миллионы рублей, обеспечив значительную экономию энергетических, материальных и трудовых ресурсов и сократив время проведения работ. Схемы сооружения стволов методом ПКТО представлены на рис. 2.14.

дебита подземных вод и гидростатического напора, поскольку разработка забоя ведется методом подводного землечерпания без откачки воды.

Ряд важных усовершенствований в технологию внесли специалисты Киевметростроя, в том числе отказ от материалоемких опорных форшахт и применение свайных опор для восприятия реактивных нагрузок домкратных систем для достижения наибольших глубин погружения крепи.

2.4.2. Сооружение ствола с обделкой из монолитного железобетона

До внедрения сборного железобетона в практике строительства шахтных стволов в основном применяли монолитный бетон и железобетон.

Впериод с 1952 по 1964 гг. при проходке стволов стали интенсивно внедрять сборную крепь из железобетонных ребристых блоков и тюбингов. В результате этого более чем в 2 раза возросла стоимость сооружения, снизилось качество крепи, резко увеличились энергетические затраты на проветривание шахт за счет увеличения аэродинамического сопротивления воздушной струи при ребристой конструкции железобетонных элементов. Кроме того, произошло большое число (около 40) аварий — обрывов тюбинговых колонн

стяжелыми последствиями. Понадобились десятки лет, чтобы отказаться от такого ошибочного технического решения и вновь перейти к обделкам из монолитного бетона. Аналогичная ситуация сложилась и в метростроении, где стволы шахт выполнялись в основном с обделкой из чугуна, но растянулась она практически на полвека.

Вусловиях формирующихся рыночных структур особую остроту приобрела экономическая сторона вопроса, где определяющей стала цена на энергоносители, материалы и оборудование. Именно в этих условиях целесообразность замены чугунных тюбингов на монолитный железобетон стала очевидной — стоимость материалов при этом снижается более чем в 12 раз.

Поиск новых и анализ отработанных на практике прогрессивных технических решений по совершенствованию технологии сооружения шахтных стволов способом ПКТО послужили основанием для разработки ряда горно-технологических вариантов, базирующихся на применении монолитной железобетонной и бетонной крепи. Основные элементы этих технологий, прошедшие проверку практикой, признаны изобретениями, что в определенной мере характеризует новизну и технический уровень этих разработок.

При небольших глубинах не всегда требуется применять тиксотропную оболочку, так как вес крепи может превышать силы трения по грунту и обеспечивать необходимое внедрение ножевого кольца в забой ствола. Однако это не всегда оправдано из-за увеличения веса крепи, прочностные параметры которой должны быть рассчитаны в первую очередь на эксплутационные нагрузки.

Монолитную крепь возводят в опалубке, установленной стационарно на поверхности. При этом перемещается (погружается) возводимая конструкция крепи, а опалубка находится в неподвижном состоянии относительно уровня укладки бетонной смеси и установки арматурного каркаса, что является принципиальной новизной технологии. Поскольку передавать усилия домкратов на бетон в раннем возрасте его твердения нельзя, требуется значительное время для набора необходимой прочности, что отражается на скорости погружения крепи. Чтобы избежать этого, предусмотрено передавать домкратную нагрузку на став замоноличенных в бетоне труб, которые опираются на ножевое кольцо. Наличие этих труб в теле бетона и приваренного к трубам арматурного каркаса позволяет сформировать эффективную железобетонную конструкцию крепи ствола. Трубы, на которые передается домкратная нагрузка, наращиваются в каждой секции погружаемой крепи.

Трубы могут быть использованы для ликвидации возможных затруднений при nepесечении контактных зон грунтов. Через трубы для упора домкрата можно, в случае необходимости, осуществить инъекцию закрепляющих растворов, размыв плотных прослоек, разбивку твердых включений с применением небольших зарядов взрывчатки. Для этого в нижней части трубы, установленной на ножевом кольце, закрепляют трубу меньшего диаметра, выходящую за пределы ножевого кольца с тем, чтобы через нее можно было выполнять эти работы. В практике проходки шахтных стволов способом опускного колодца известны примеры использования такого технического решения.

Для обеспечения прочностных параметров опускной крепи конструкция арматурного каркаса выполняется из арматурных стержней, которые приваривают к трубам для упора домкратов. Таким образом получается жесткая кольцевая связь по всему контуру крепи, что обеспечивает восприятие значительных растягивающих и изгибающих напряжений, которые могут возникнуть в ходе погружения крепи и особенно при исправлении перекосов.

В сложившейся практике сооружения шахтных стволов погружением крепи в тиксотропной оболочке для восприятия реактивных нагрузок, создаваемых домкратной системой, предусматривают специальные опорные воротники — форшахты, в которые замоноличивают (заанкеривают) балочные или иные конструкции для подвешивания домкратной системы.

С целью снижения затрат на сооружение стволов при погружении крепи в тиксотропной оболочке в одном из технологических вариантов предусмотрено применять анкерные сваи из двутавровых балок, которые забивают в грунт по контуру ствола в местах установки домкратов. Этот способ впервые был применен при сооружении одного из стволов Московского метрополитена, а затем — в Киевметрострое.

При строительстве шахтных стволов с оформлением специальной форшахты домкратную систему закрепляют на консольных конструкциях, заанкеренных в бетон форшахты.

Водонепроницаемость опускной крепи из монолитного железобетона обеспечивается наличием тиксотропного раствора из бентонитовой глины между крепью и грунтовым массивом. После погружения крепи бентонитовый раствор в этом кольцевом зазоре защемляется бетонными поясами. В верхней части крепи такой пояс выполняют из слоя бетона, уложенного на тиксотропный раствор; в нижней части крепи функцию такого пояса выполняет кольцо из уложенной на ножевое кольцо слоя плотной глины, образующей уплотняющую манжету.

На рис. 2.16 приведены схемы сооружения ствола в неустойчивых грунтах зоны покровных отложений с применением монолитной железобетонной крепи в тиксотропной оболочке и в неустойчивых скальных грунтах буровзрывным способом применительно к практике метростроения, где поверхностный комплекс оснащается цилиндрическим копром из чугунных тюбингов, который после выполнения работ демонтируется [Метро. 1993. № 4. С. 15–17].

Рис. 2.16. Схема a) б) сооружения ствола:

а — в неустойчивых грунтах: 1 — гидродомкрат; 2 — консольная конструкция для упора гидродомкратов; 3 — канат подвески опалубки; 4 — внутренняя отрывная опалубка; 5 — наружная неподвижная опалубка; 6 — направляющий брус; 7

— бетонное кольцо – ограждающий воротник;

8 — двутавровая балка

– шпунтовая свая; 9 — отрезки труб для упора домкратов; 10 — бетон опускной крепи; 11 — тиксотропный раствор; 12 — уплотнительная манжета – глинистый

замок; 13 — инъекционная труба; 14 — ножевое кольцо; 15 — грейфер; 16 — арматурный каркас; 17

— ограждение ствола; 18 — самоходный кран для подвески грейфера; б — в твердых грунтах: 1 — шахтный копер тюбингового типа; 2 — подъемная машина; 3 — приемный бункер; 4 — бетоновод; 5 — расстрелы; 6 — труба бетоновода; 7 — подвесная переставная опалубка

В разработанных технических решениях, связанных с конструкцией опускной крепи, приводятся варианты систем подвески гидроцилиндров. В практике отработаны три варианта опорных систем: 1) монолитные железобетонные контрфорсные воротники — форшахты с замоноличеными балочными системами, к которым подвешиваются гидроцилиндры; 2) опорные конструкции с забивкой металлических свай по контуру погружаемой крепи в местах установки гидроцилиндров; 3) инвентарные опорные конструкции многоразового использования, выполненные из железобетонных или металлических угловых блоков с шарнирными двухконсольными опорами для подвески и упора гидроцилиндров и восприятия реактивной нагрузки (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Опорная конструкция инвентарного типа:

1 — сборно-разборная угловая опора; 2 — двухконсольная опора; 3 — шарнирное крепление; 4 — гидроцилиндр; 5 — анкерное крепление опоры; 6 — пригруз для восприятия реактивной

нагрузки; 7 — рабочий кольцевой полок; 8 — опускная крепь

Наиболее рациональны опорные конструкции свайного типа, а также инвентарные из угловых элементов. Применение таких конструкций позволяет значительно сократить объемы земляных работ и последующего устройства опорного воротника с объемом железобетона 500–600 м3, что равноценно расходу бетона на крепь ствола глубиной 60–70 м.

Сваи из двутавровых балок после окончания погружения крепи могут быть извлечены, тогда как опорный железобетонный воротник остается в грунте.

Выше были рассмотрены решения, связанные с сооружением только верхней части шахтного ствола в зоне неустойчивых и водоносных грунтов, однако целесообразно использовать монолитно-бетонную крепь по всей глубине ствола. В практике сооружения шахтных стволов эта проблема решена однозначно: крепь возводится снизу вверх заходками с шагом продвигания забоя 2–4 м с подачей быстротвердеющей бетонной смеси по трубам в передвижные инвентарные металлические опалубки, подвешенные на канатах. При этом, согласно нормам, прочность бетона должна быть не ниже 80 Н/см2, что позволяет достигать темпа один цикл в сутки.

Сдерживающим фактором внедрения монолитной бетонной крепи в вентиляционных стволах метрополитенов является водопроницаемость бетона. Одним из решений, обеспечивающих водонепроницаемость железобетонных обделок, является устройство металлической оболочкиобечайки (наружной, внутренней или двусторонней). В этом случае частично или полностью отпадает необходимость в опалубке.

Совершенствование технологии сооружения шахтных стволов продолжается. Пока отсутствуют конкурентоспособные решения для сооружения неглубоких и верхних частей стволов большой протяженности в водоносных грунтах.

2.4.3. Сооружение стволов с «фундамент-опорной конструкцией» устья

Существующая технологическая схема погружения крепи в тиксотропной оболочке (ПКТО) в некоторых случаях не учитывает ряда особенностей, характерных для сооружения и эксплуатации шахтных стволов, когда на поверхности возводят многочисленные временные сооружения различного назначения, а в районе устья ствола

— фундаменты наземных сооружений и каналы технологического назначения с глубиной заложения 8–10 м и более.