Щитовая проходка тоннелей и коллекторов

Прокладка рабочего трубопровода в футляре

Рабочий трубопровод, размещенный в футляре на участке подземно­го перехода, является наиболее ответственным участком водовода, и поэто­му к нему предъявляются повышенные требования, как в отношении проч­ности, так и надежности. Для него применяют стальные трубы с толщиной стенки на 15 - 25% больше толщины стенки основного трубопровода. Мон­таж и сварку рабочего трубопровода выполняют чаще всего непосредствен­но на месте устройства перехода, из одиночных труб или плетей длиной до 36 м. После испытания и устранения дефектов на него наносят слой анти­коррозионной изоляции, для предохранения которого от механических по­вреждений при прокладке трубопровода его в пределах футляра футеруют деревянными рейками.

Укладку рабочего трубопровода в футляре осуществляют способами проталкивания и протаскивания. Проталкивание применяют при устрой­стве переходов из труб диаметром до 1020 мм. Для проталкивания труб ис­пользуют краны-трубоукладчики грузоподъемностью 12 - 35 т. Перед про­талкиванием трубопровода на дне котлована делают направляющую дорож­ку из шпал, уголков и рельсов, на которую после смазки солидолом его ук­ладывают. Далее на торце футляра крепят оттяжной ролик (блок), через ко­торый пропускают тяговый канат с крюком на конце. Крюк заводят за стен­ку рабочего трубопровода, а второй конец каната зацепляют за крюк крана-трубоукладчика. В процессе подъема крюка канат натягивается и посредст­вом системы запасовки его через ролик проталкивает рабочий трубопровод в футляр.

Протаскивание рабочего трубопровода применяют при устройстве переходов из труб диаметром 1220 мм и более. При этом используют трак­торы, краны-трубоукладчики или приводные и ручные лебедки грузоподъ­емностью 3 - 5 т. Перед началом протаскивания трубопровода, как и при проталкивании, устраивают направляющую дорожку и ее смазывают соли­долом. Тяговый трос крепят за специальный наконечник или скобу, прива­ренные к переднему концу трубопровода. Конец троса протягивают через оттяжной блок, закрепленный в котловане со стороны расположения тяго­вых механизмов, и начинают протаскивание. После прокладки рабочего трубопровода в футляре монтируют сальники, устраивают колодцы и вы­полняют другие работы, предусмотренные проектом.

Щитовая проходка, применяемая при устройстве коллекторов и тон­нелей, предусматривает разработку грунта под прикрытием щита и закреп­ление коллектора или тоннеля сборными железобетонными тю­бингами или монолитным бетоном. Щито­вую проходку ведут с помощью проходческого щита, изготовленно­го в виде металлической оболочки, диаметр которой равен наружному диа­метру сооружаемого тоннеля. Ее применяют в тех случаях, когда другие, ра­нее рассмотренные способы бестраншейной прокладки трубопроводов, применять не представляется возможным.

В больших городах с помощью щитовой проходки устраивают тонне­ли для совмещенной прокладки трубопроводов и коммуникаций, а также за­глубленные главные (отводящие сточные воды на очистные сооружения) ка­нализационные коллекторы.

Конструкции применяемых проходческих щитов. Щит состоит из трех основных частей: передней - режущей клиновидной формы с козырь­ком или без него, средней - опорной, где размещаются домкраты, и задней - хвостовой. Щит вдавливают в грунт гидравлическими домкратами, а грунт перед щитом разрабатывают ручным или механическим способом. Сооружение обделки (стенок) коллектора выполняют в хвостовой части щи­та. Для щитовой проходки применяют проходческие щиты нескольких ви­дов (рис. 6.37) с наружным диаметром 2 - 5 м, которые в зависимости от способа разработки грунта в забое и его транспортировки подразделяют на механизированные, частично-механизированные и немеханизированные. Механизированные щиты более производительны, но сложнее в эксплуата­ции, а немеханизированные отличаются простотой в управлении и широко применяются при проходке коллекторов диаметром до 2,5 м.

Немеханизированные проходческие щиты конструктивно в основ­ном одинаковы, хотя и бывают нескольких разновидностей - с открытой и закрытой головной частью, жесткими решетками и горизонтальными пол­ками. В щите с открытой головной частью диаметром 2 м (рис. 6.37, а) для срезания грунта и внедрения щита режущая часть оснащена козырьком с клиновидным ножом. Щит периодически продвигается вперед с помощью гидравлических домкратов, расположенных по периметру щита и упираю­щихся своими штоками в ранее уложенные элементы тоннельной обделки.

Рис. 6.37 – Проходческие щиты

а – немеханизированный с открытой головной частью, б – механизированный с роторным рабочим органом, в – то же, с экскаваторным

1, 7 – режущая ножевая часть с козырьком, 2 – опорная часть, 3 – хвостовая часть, 4 – гидравлические домкраты, 5 – напорная труба, подающая рабочую жидкость, 6 - распределительная трубка, 8 – подземная выработка, 9 – кольцо обделки, 10 – ленточный конвейер-перегружатель, 11 – стальной корпус, 12 – электродвигатель, 13 – зубчатый венец, 14 – приемное окно, 15 – роторная конусная часть, 16 – съемные резцы, 17 – боковые спиральные лопатки, 18 – неповоротный цилиндр, 19 - тележки

 

Опорная часть, расположенная посредине щита, обеспечивает ему необхо­димую прочность и жесткость, а под защитой хвостовой части монтируют одно-два кольца сборной или сооружают определенный участок монолит­ной обделки коллектора.

Скорость проходки тоннелей немеханизированными щитами в зави­симости от диаметра выработки, категории грунта, числа и типа домкратов, мощности насосной установки колеблется от 0,8 до 1,2 м/смен.

Механизированные щиты (рис. 6.37, б, в) имеют механизмы для разработки грунта, укладки блоков и выдачи разработанного грунта на по­грузочные средства. Рабочие органы щитов могут быть, например, роторны­ми, штанговыми, экскаваторными, гидромеханическими. Чаще применяют щиты с роторными (рис. 6.37, б) и экскаваторными (рис. 6.37, в) рабочи­ми органами. В щите с роторным рабочим органом в результате его враще­ния грунт, разрушенный резцами, непрерывно подхватывается спиральны­ми лопатками и через приемное окно поступает на ленточный конвейер, а затем в тележки со съемными кузовами. Рабочий орган с помощью гидрав­лических домкратов выдвигается вперед на расстояние до 1 м независимо от движения щита одновременно с перемещением конвейера-перегружателя. После разработки забоя на длину одного кольца обделки рабочий орган отводят назад, щит продвигают вперед и в хвостовой части с помощью бетоно- или блокоукладчика укладывают очередное кольцо обделки. Выдача грунта на поверхность и подача материалов (элементов сборной обделки, цемента и др.) к щиту производятся средствами горизонтального внутрен­него (двухосные тележки со съемными кузовами, вагонетки, тележки-блоковозки, электрокары) и вертикального (клетьевые подъемники, стреловые краны и т.д.) транспорта. Механизированный щит с экскаваторным рабочим органом (рис. 6.37, в) разрабатывает грунт по принципу обратной лопаты. Грунт из ковша выгружают на ленточный конвейер и затем в тележки внутритоннельного транспорта. Такой щит диаметром 2 м передвигается 16 ги­дравлическими домкратами грузоподъемностью по 125 т каждый.

Щитопроходческие работы выполняют обычно в три стадии. На первой (подготовительной) устраивают монтажную или начальную шах­ту для опускания щита в забой, подводят электроэнергию, устраивают вен­тиляцию и т.п. Прокладывают также пути для откатки грунта, оборудуют шахтный двор, т.е. стройплощадку (рис. 6.38, а). По окончании строитель­ства коллектора щит из него выводят и поднимают на поверхность через демонтажную или конечную шахту. Иногда также устраивают промежуточные шахты для подачи материалов, выдачи грунта и вентиляции забоя. В началь­ной шахте устраивают свайный упор и монтируют на проектной отметке проходческий щит. На второй стадии начинают проходку - передвиж­ку щита, включающую разработку грунта в забое, продвижение щита, мон­таж блочной или возведение монолитной обделки. На третьей стадии, если тоннель используется как самотечный трубопровод (канализационный коллектор), внутри него устраивают лоток.

Введение щита в забой. Щит в шахту опускают стреловым краном и затем внизу устанавливают его в направлении проходки. Непосредственно в забой щит вводят с помощью гидравлических домкратов, упираемых в специально устроенную временную опору (упор). В стене шахты в месте

Рис. 6.38 – Схемы организации площадки при щитовой проходке тоннеля (коллектора) и щитопроходческих работах

а - организация стройплощадки, б - проходка немеханизированным щитом с ручной разработкой грунта, в - проходка коллектора диаметром 4,1 м механизированным щитовым комплексом с обделкой из монолитного пресс-бетона, г - монтаж обделки коллектора, д - трапециевидные блоки, е - железобетонные тюбинги; 1 - отвал грунта, 2 - складирование тюбингов, 3 - растворосмеситель, 4 - бак для воды, 5 - емкость для цемента, 6 - рабочее место крановщика, 7 - кран, 8 - место сигнальщика, 9 - табличка с перечнем установленных сигналов, 10 - компрессор, 11 - доска замера газа, 12 - пункт электропитания, 13 - вентиляционная установка, 14 - немеханизированный щит, 15 - вагонетка с бадьями, 16 - электровоз, 17 - рельсовый путь, 18 - насосная установка для откачки воды, 19 - шахта, 20 - приямок, 21 - камера, 22 - механизированный щит, 23 - секция опалубки, 24 - механизм перемещения опалубки, 25 - цистерна, 26 - транспортер выдачи грунта, 27 - вагонетка бункерного типа для загрузки с транспортера, 28 - бетонопровод, 29 - механизм передвижения платформы, 30 - транспортный мост, 31 - блоки обделки, 32 - замковый блок

забоя оставляют круглое отверстие диаметром, на 100 мм превышающим диаметр щита, необходимое для ввода щита в забой. По мере разработки грунта и продвижения щита устанавливают блочную обделку по всему пе­риметру коллектора. Когда щит полностью войдет в грунт и будет пройдено первых 10 - 12 м коллектора, разбирают упор, снимают рамы и распорки. Затем в основной монтажной или промежуточной шахте оборудуют бадьевое отделение для подъема вагонеток или их кузовов с грунтом, атакже по­дачи необходимых материалов для щитопроходческих работ, для чего над бадьевым отделение устанавливают стреловой кран. Для входа работаю­щих в коллектор и выхода из него в шахте бадьевого отделения устраивают лестничную клетку. Оборудовав бадьевое отделение, начинают щито­вую проходку.

Встречающиеся при щитовой проходке разнообразные гидрогеологи­ческие условия усложняют производство работ, однако в настоящее время разработано оборудование и имеются способы, позволяющие осуществлять проходку практически в любых грунтовых условиях. В устойчивых грунтах применяют механизированные щитовые комплексы типа КЩ с наружным диаметром щитов 2,1; 2,6; 3,2 и 4 м. В твердых грунтах, когда невозможно использовать комплексы КЩ, проходку ведут немеханизированными щита­ми с ручной разработкой грунта (рис. 6.38, б). Для разработки крепких по­род применяют отбойные молотки либо взрывной метод.

Проходка коллектора включает в себя ряд процессов, в том числе: разработку пород в забое, передвижку щита, транспортировку материалов, устройство блочной или монолитной обделки тоннеля, инъектирование стыков, вспомогательные работы по устройству откаточных путей и про­кладке коммуникаций. Ведущим процессом является разработка породы в забое, так как от нее зависит темп проходки. Трудоемкость проходческих ра­бот в значительной степени зависит от типа применяемого щита, так как ручная разработка породы в забое при немеханизированных щитах отлича­ется повышенной трудоемкостью. Поэтому, когда позволяют грунтовые ус­ловия, следует применять механизированные щитовые комплексы (рис. 6.38, в). Разработку мягких пород грунта ведут под защитой козырька и ре­жущей части щита. Грунт в забое не добирают до конца щита на 10 - 15 см. Глубина разработки породы зависит от характера грунтов, условий трассы коллектора, диаметра и конструкции щита, но обычно разработку ведут на ширину одного кольца обделки. В связи с подвижностью грунта и необхо­димостью сохранности расположенных над коллектором зданий и сооруже­ний производят крепление лба забоя (рис. 6.38, в). Разработку грунта ведут сверху вниз и поэтому сначала крепление с верхней части забоя снимают, но после разработки грунта на необходимую глубину лоб забоя снова укрепля­ют. Затем снимают крепление в нижней части забоя и разрабатывают здесь грунт с последующим закреплением. При передвижке щита лоб забоя кре­пят на всю высоту. Таким же способом ведут разработку забоя в сыпучих песках.

Также применяют способ самозакрепления забоя от обрушения, для чего применяют щиты с горизонтальными полка­ми.

В водонасыщенных и слабых грунтах щитопроходческие работы зна­чительно осложняются. В грунтах с умеренным притоком грунтовых вод проходку ведут с перекрытием лба забоя или, как говорят, «с закрытой гру­дью». При этом лоб забоя частично или полностью перекрывают шандорами (стальными щитами), установленными на болтах с внутренней стороны ножевого кольца. Однако лучше всего борьбу с грунтовыми водами при щи­товой проходке вести способом искусственного осушения забоя легкими или эжекторными иглофильтрами или погружными насосами в скважинах. В тех случаях, когда из-за чрезмерно малой величины коэффициента фильтрации грунтов применить водопонизительные установки не представляет­ся возможным, или по другим причинам применяют способы разработки грунта в забое под защитой сжатого воздуха (кессонным способом) или пу­тем замораживания забоя. При кессонном способе проходки грунтовая вода отжимается избыточным давлением воздуха, для чего коллектор разделяет­ся на зону повышенного и нормального давления с помощью воздухонепро­ницаемых перегородок и шлюзов, необходимых для прохода людей и транс­портировки материалов и породы.

Обделку тоннелей (коллекторов) устраивают из сборных элемен­тов (блоков или тюбингов) (рис.6.38, д, е), а также монолитного бетона и железобетона. Обделка из тюбингов, устанавливаемых без связей, наиболее экономична. Работы по устройству обделки тоннеля начинают с укладки лотковых блоков, а затем по обе стороны монтируют боковые блоки и в за­ключение устанавливают замковый блок (см. рис. 6.38, г). Блоки можно ук­ладывать с постепенным убиранием штоков домкратов и освобождением места для блока нового кольца или с одновременной уборкой штоков всех домкратов. Каждый блок после укладки обжимают домкратами. При уклад­ке кольца из трапециевидных блоков некоторые из них не доводят на всю длину, что облегчает сборку, а после установки замкового блока их дожима­ют домкратами вместе с замковым блоком, и далее они служат опорами домкратов при передвижении щита. В щитах диаметром до 2,6 м блоки ук­ладывают вручную, а в щитах больших диаметров - механическими блоко-укладчиками с гидравлическим или электрическим приводом. В щитах ди­аметром 3,6 м блокоукладчик прикреплен непосредственно к щиту. Укладку тюбингов ведут снизу в обе стороны вверх до замка. В каждом кольце тю­бинги укладывают со сдвижкой на два отверстия во избежание сквозных продольных швов. Чтобы кольцо имело правильную форму, между тюбин­гами и оболочкой щита укладывают дубовые клинья, убираемые после ус­тановки замкового тюбинга. При передвижении щита происходит обжатие тюбинговой обделки, после чего швы между тюбингами зачеканивают с од­новременной заделкой металлических штырей в соединениях раствором на расширяющемся цементе.

В заключение насосом под давлением 1,5 - 2 МПа нагнетают раствор за обделку, что необходимо для придания кольцу большей жесткости (во из­бежание его самопроизвольного оседания) и заполнения выработанного пространства.

Для получения монолитно-прессованной обдел­ки из пресс-бетона в хвостовой части щита устанавливают опалубку, за ко­торую нагнетают бетон. Принцип работы щитового механизированного комплекса при этом основан на сочетании вдавливания в забой головной ча­сти щита и одновременного прессования бетонной смеси в его хвостовой ча­сти (см. рис. 6.38, в). Проходческий комплекс состоит из щита (применяют щиты для проходки монолитной обделки диаметрами 2,1; 2,6; 3,6 и 4,1 м), металлической опалубки, механизма для перестановки опалубки, транс­портного моста, передвижной платформы с транспортером, бетоноводом и пневмоподатчиками. Бетон подают в заопалубное пространство через уст­ройство в прессующем кольце по бетоноводу от пневмоподатчиков. Внача­ле между стенками опалубки и щита происходит предварительное уплотне­ние бетона, а затем при передвижке щита с отсоединением бетоновода от прессующего кольца - окончательная перепрессовка бетонной смеси с пере­дачей усилия на породу. Этот способ позволяет сразу же получить готовую обделку коллектора с гладкой водонепроницаемой поверхностью, не требу­ющей отделки, в то время как для сборной обделки необходимо проведение дополнительных отделочных работ. Кроме того, этот способ обеспечивает надежное заполнение пространства между обделкой и породой, дает эконо­мию арматурной стали и позволяет снизить затраты труда.

Прокладка трубопроводов в тоннелях щитовой проходки. Когда щитовую проходку используют для устройства переходов, в них проклады­вают самотечные и напорные трубопроводы различных диаметров. Керами­ческие и бетонные трубы укладывают в тоннеле на основание из тощего бе­тона, а оставшееся свободное пространство заполняют песком или тощим бетоном. Для подачи бетона используют бетононасосы, а при заполнении песком делают песочно-глиняную смесь и подают ее в тоннель растворонасосом. Чугунные и стальные трубопроводы в тоннеле укладывают методом наращивания. Трубы по тоннелю перемещают на специальных тележках.