При строительстве подземных сооружений мелкого заложения на застроенных городских территориях, а также при пересечении железнодорожных и автодорожных магистралей применяют защитные экраны, устраиваемые по технологии опережающей крепи в верхней и боковой частях выработок.
По типу защитные экраны подразделяют: на металлические железобетонные из труб, из стабилизированного закрепленного грунта и опережающей бетонной крепи.
Технология строительства выработок состоит из следующих основных этапов:
— проходки вспомогательной выработки (котлована или шахты);
— устройства опережающей защитной крепи;
— разработки, погружения и удаления грунта;
— возведения временной или постоянной крепи.
Разработку грунта выработки и возведение обделки выполняют в основном по технологии горного способа.
Технология проходки под защитой опережающей крепи позволяет возводить выработки различных форм и сечений длиной до 80 — 100 м. Увеличение длины экранов может быть достигнуто созданием промежуточных шахтных стволов или котлованов для задавливания, а также устройством опережающей крепи непосредственно из забоя выработок (рис. 5.4).
Существуют различные модификации этого способа, отличающиеся материалом, формой и размерами экрана, способами возведения, наличием или отсутствием замковых элементов и др.
При устройстве экранов применяют следующие технологические способы:
— продавливание или прокол труб малого диаметра;
— горизонтальное бурение;
— нарезание (фрезерующим или баровым рабочим органом) щелей длиной до 3 — 4 м и высотой 12 — 20 см и более;
— щитовую проходку выработок малого диаметра;
— микротоннелирование;
— закрепление грунта химическими методами, струйной цементацией или замораживанием и др.
При продавливании в большинстве случаев применяют стальные трубы, продавливая их в один или два ряда вдоль оси выработки; в устойчивых грунтах их располагают с зазорами 15 — 20 см, которые заполняют цементным раствором.
При продавливании труб в неустойчивых грунтах их соединяют между собой с помощью замковых устройств по типу шпунта (рис. 5.5). В этом случае достигается повышение точности задавливания и упрощается контроль, так как замковые устройства служат направляющими для вновь надавливаемых труб.
Для продавливания труб и извлечения из них грунта, соединения звеньев труб, заполнения их бетоном применяют специализированное оборудование. Наибольшее применение получили механизированные установки для прокола, продавливания, горизонтального бурения, микротоннелирования, основанного на протаскивании труб вслед за управляемым щитовым проходческим комплексом.
В отечественной практике разработана грунтопрокалывающая установка ГПУ-600, состоящая из направляющей рамы, опорно-нажимной плиты, подвижного упора, гидравлических домкратов с насосной станцией. Установка предназначена для продавливания стальных труб диаметром 100 — 630 мм на длину до 80 м со скоростью 24 м в смену. В плотных грунтах их задавливают в предварительно пробуренные лидерные скважины.
Оборудование для продавливания стальных и железобетонных труб разработано в Японии, Германии и других странах.
В Японии фирмой «Окумура корпорейшн» (Осака) разработана технология «ОНА» и специализированное оборудование для задавливания стальных и железобетонных труб диаметром 300 — 1000 мм. Оборудование включает направляющую трубу, шнек для разработки и удаления грунта, опорный каркас, домкратную установку и контролирующее устройство.
Германской фирмой «Крупп Штальхандель» создан агрегат для продавливания стальных и железобетонных труб усилием до 2000 кН. Разработаны различные модификации агрегата: с буровым рабочим органом, с фрезерным механизмом, со шнековым и цепным механизмом и др. для применения в разнообразных грунтовых условиях. Агрегат имеет гидравлический привод мощностью 51,5 кВт и обеспечивает задавливание 3 — 9 м труб в смену.
С целью увеличения длины экранов из труб без устройства промежуточных шахт или котлованов следует применять технологию создания опережающих экранов непосредственно из забоя подземной выработки путем бурения наклонных скважин и задавливания в них труб. Скважины следует забуривать под углом 4 — 6° к оси подземной выработки. Экраны устраивают секциями по 10 — 15 м с перекрытием соседних секций на 1 — 3 м.
Под защитой готового экрана производят раскрытие выработки. Выработку следует возводить заходками, соответствующими длине экрана с подкреплением последнего стальными арками и набрызг-бетоном, после чего в передвижной опалубке возводят постоянную обделку.
При строительстве выработок горным способом в полускальных и дисперсных грунтах применяют опережающую бетонную крепь (ОБК). ОБК устраивают путем бетонирования методом набрызг-бетона предварительно нарезанных контурных щелей длиной 3 — 4 м и высотой 12 — 20 см. Щель прорезают под углом 4 — 12° к продольной оси выработки, чтобы обеспечить возможность возведения последующих секций ОБК.
К преимуществам ОБК следует отнести следующие:
— создание лучших условий для стабилизации грунтового массива, которая практически наступает до начала разработки грунта в выработке в отличие от традиционной контурной крепи (арочной, анкерной, набрызг-бетонной);
— практически исключаются переборы грунта из-за ровного очертания контурной крепи, сводятся к минимуму деформации грунтового массива и поверхности земли, повышаются темпы проходки выработки. Осадка грунтового массива и поверхности земли при применении ОБК меньше в 2 — 3 раза по сравнению с НАТМ и в 4 — 5 раза — с традиционными способами в аналогичных условиях;
— способ проходки выработок с использованием ОБК целесообразен в случаях, когда применение традиционных технологий сопряжено с риском нарушения грунтового массива и где важно соблюдение экологических требований;
— применение технологии ОБК возможно в широком диапазоне грунтовых условий (от скальных до дисперсных грунтов) при проходке выработок различных форм и размеров поперечного сечения площадью более 30 м2;
— стоимость строительства на 40 — 60 % ниже, чем традиционными способами и, примерно, на 25 — 30 % выше по сравнению с новоавстрийским способом (НАТМ).
Целесообразная область применения ОБК — некрепкие скальные, полускальные и мягкие породы с коэффициентом крепости по Протодьяконову 2 — 5.
Для реализации технологии ОБК из отечественного оборудования используют врубовую машину «Урал-33», изготавливаемую Копейским машиностроительным заводом.
Зарубежными фирмами Франции, Германии и Италии создано оборудование для нарезания щелей баровым и фрезерующим способами, позволяющими экономично нарезать щели различной конфигурации в плане и по глубине.
Для устройства пешеходных и коммуникационных тоннелей мелкого заложения целесообразно применять технологию по а.с. № 1234642, состоящую в следующем (рис. 5.6).
Вначале способом «стена в грунте» возводят боковые стены тоннеля, а затем из забоя выработки устраивают опережающую щель высотой 0,3 — 0,5 м с наклоном в продольном направлении. Угол наклона щели должен составлять 2 — 6,5° для грунтов средней крепости и 6,5 — 15° — для более слабых грунтов. Щель устраивают на глубине не менее 1,5 — 2 м от поверхности земли, заполняя ее сборными железобетонными плитами и монолитным бетоном. Перехлест соседних секций крепи составляет от 25 — 30 % их длины в устойчивых грунтах и до 50 % — в неустойчивых грунтах.
Под прикрытием образованной крепи разрабатывают грунт на величину заходки длиной 3 — 3,5 м. Далее устраивают гидроизоляционное покрытие лотка, стен и перекрытий из рулонных или пленочных материалов и возводят обделку из монолитного железобетона. Временная крепь входит в состав несущей конструкции тоннеля.
Для устройства опережающей крепи в неустойчивых грунтах применяют струйную цементацию. По контуру будущего сооружения в грунт с определенным шагом погружают мониторы с насадками, через которые под большим давлением подают воду и цементный раствор. Окружающий скважину грунт разрушается струей воды и интенсивно перемешивается с цементным раствором, в результате чего образуются грунтоцементные сваи из закрепленного грунта в виде вертикальных и наклонных стен (рис. 5.7). Для закрепления грунтов с применением струйной цементации применяют отечественное и зарубежное оборудование (Япония, Италия и др.).
При строительстве протяженных выработок мелкого заложения в полускальных, дисперсных и слабоустойчивых грунтах горные способы работ следует применять в сочетании с опережающей крепью в виде экранов из труб, бетонных сводов или стабилизированного грунта. Такая технология отличается достаточной гибкостью и универсальностью, сводит к минимуму нарушения окружающей среды и может составить альтернативу открытому способу работ на плотно застраиваемых участках городских территорий.
Экраны из стальных, железобетонных и асбестоцементных труб целесообразно устраивать из вспомогательных выработок или из забоя проходимой выработки. Для стабилизации грунта наиболее перспективна струйная цементация, которая может применяться практически в любых слабоустойчивых и неустойчивых грунтах независимо от степени их водонасыщения.