Рис. 4.6 Способ строительства подземного сооружения «сверху-вниз» по комбинированной технологии

Параллельное возведение перекрытия над 3-м подземным этажом и разработка грунта на третьем ярусе котлована

4.1.3.4 Метод строительства «вверх-вниз» предусматривает строительство зданий с несколькими подземными этажами за счет одновременного сооружения этажей вверх и вниз от уровня поверхности земли с устройством ограждения котлована способом «стена в грунте», которое часто служит стеной подземной части здания. Строительство таким методом позволяет сократить общие сроки строительства здания в целом до 30%.

Строительство по схеме «вверх-вниз» начинается с устройства траншейных «стен в грунте» по периметру сооружения и промежуточных буровых опор (колонн). Траншейные стены и буровые колонны служат опорами будущих конструкций верхнего строения. Далее начинается открытая разработка грунта на первом подземном ярусе и параллельно захватками возводится перекрытие над первым этажом (в уровне земли). При достижении бетоном перекрытия в уровне земли 75% прочности, на нем в специально усиленной зоне стационарно устанавливается башенный кран. По достижении бетоном перекрытия 100% прочности начинается возведение конструкций наземных этажей и одновременно ведется строительство второго и последующих подземных этажей по одному из трех технологических приемов, описанных выше.

Методы строительства способами «сверху-вниз» и «вверх-вниз» успешно применены на целом ряде объектов строительства в г. Москве.

4.1.4 Применение струйной цементации (технологии «jet-grouting») в подземном строительстве

4.1.4.1 Технология струйной цементации или технология «jet-grouting» заключается в разрушении и перемешивании грунта высоконапорной струей цементного раствора, исходящего под высоким давлением из монитора, расположенного на нижнем конце буровой колонны. В результате в грунтовом массиве формируются сваи диаметром 0,6-1,0 м из нового материала-грунтобетона с достаточно высокими несущими и противофильтрационными характеристиками.

4.1.4.2 Устройство свай из грунтобетона выполняется в два этапа: производство прямого (бурение скважины) и обратного хода буровой колонны. В процессе обратного хода производят подъем колонны с одновременным ее вращением. При этом поднимают давление цементного раствора, который поступает в сопла монитора, создающие струю с высокой кинетической энергией.

Сваи, образуемые с использованием струйной технологии, могут быть круглого сечения, трехлопастные, четырехлопастные, винтообразные, а также секущиеся. Комбинирование трех- и четырехлопастных свай создает ячеистые структуры, которые могут быть использованы в качестве несущих конструкций благодаря вовлечению в работу грунта, находящегося в ячейках.

4.1.4.3 Технология струйной цементации может быть эффективно применена при решении следующих задач подземного строительства:

- сооружение одиночных свайных фундаментов;

- сооружение ленточных в плане конструкций типа «стена в грунте»;

- устройство анкерных креплений;

- укрепление грунта вокруг строящихся подземных сооружений;

- усиление оснований и фундаментов существующих зданий;

- проведение противооползневых мероприятий;

- создание противофильтрационных завес.

- цементационное упрочнение разрушенных скальных грунтов;

- уплотнение стыков между панелями траншейных «стен в грунте».

4.1.4.4 К основным преимуществам технологии относятся следующие: высокая производительность, простота, экономичность, возможность работы в стесненных условиях (вблизи существующих зданий, в подвалах), отсутствие негативных ударных воздействий.

4.1.4.5 Конструкция ограждения котлована может выполняться из одного ряда секущихся грунтоцементных свай (например, диаметром 800 мм с шагом 650 мм) или с расположением свай меньшего диаметра в два ряда в шахматном порядке. Для крепления такого ограждения также могут быть применены грунтоцементные сваи, наклоненные под углом 30-45° к вертикали. Сваи ограждения и крепления объединяются поверху монолитной железобетонной обвязочной балкой.

Для повышения устойчивости стен, выполненных методом струйной цементации, применяют их армирование стальными трубами диаметром 500-600 мм или прокатными балками (h = 50-60 мм), располагаемыми с шагом 1,5-2 м вдоль стены.

4.1.4.6 Оборудование для реализации струйной цементации включает: буровую установку, растворонасос с давлением нагнетания цементного раствора 400-700 атм, шланги высокого давления, монитор и керамические сопла.

Основные параметры струйной технологии с использованием импортного оборудования следующие:

- водоцементное отношение раствора-В/Ц = 1;

- плотность портландцемента М500-3 т/м³;

- диаметр сопел-3,2-4,0 мм (количество сопел-1-2 шт.);

- диаметр подающего шланга-25,4 мм;

- рабочее давление подачи раствора-410-440 бар.

Применение технологии «jet-grouting» на ряде объектов Москвы в сложных инженерно-геологических условиях показало эффективность и перспективность этой технологии как при новом строительстве, так и при реконструкции зданий, выполняемых в условиях тесной городской застройки.

4.2 Основные принципы проектирования подземных сооружений, возводимых открытым способом

4.2.1 Проектирование подземных сооружений, возводимых открытым способом, должно производиться с учетом:

- назначения сооружения, объемно-планировочных решений, глубины заложения;

- нагрузок, передаваемых на сооружение;

- инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадки строительства;

- технологии возведения сооружения;

- условий существующей застройки и влияния на нее подземного строительства;

- взаимного влияния проектируемого подземного сооружения и существующих подземных сооружений;

- экологических требований;

- технико-экономического сравнения вариантов проектных решений.

4.2.2 При оценке влияния строящегося подземного сооружения на окружающую застройку прогноз изменения напряженно-деформированного состояния грунтового массива следует, как правило, выполнять путем математического моделирования с использованием нелинейных моделей механики сплошных сред численными методами.

Прогноз изменений гидрогеологического режима следует, как правило, выполнять путем математического моделирования фильтрационных процессов также численными методами.

Для проведения указанных расчетов должны привлекаться специализированные организации.

4.2.3 Расчеты подземных сооружений по первой и второй группам предельных состояний должны включать определения:

- несущей способности основания, устойчивости сооружения и его отдельных элементов;

- местной прочности основания;

- устойчивости склонов, примыкающих к сооружению, откосов, бортов котлованов;

- устойчивости ограждающих конструкций;

- внутренних усилий в ограждающих, распорных, анкерных и фундаментных конструкциях;

- фильтрационной прочности основания, давления подземных вод на конструкции подземного сооружения, фильтрационного расхода;

- деформаций системы «подземное сооружение-основание».

При выполнении расчетов следует руководствоваться требованиями глав СНиП 2.02.01-83*, СНиП 2.02.03-85, СНиП 2.01.07-85*, СНиП 2.05.03-84*, СНиП 2.06.07-87, СНиП 52-01-2003, а также инструктивных документов.

При расчетах следует учитывать возможные изменения гидрогеологических условий, а также физико-механических свойств грунтов с учетом промерзания-оттаивания грунтового массива, а также явлений просадки, набухания и пучения.

4.2.4 Нагрузки и воздействия на грунты оснований и конструкции подземных сооружений должны устанавливаться расчетом, исходя из совместной работы конструкций сооружения и основания.

При проектировании следует учитывать нагрузки и воздействия, возникающие на всех стадиях возведения и эксплуатации подземного сооружения.

К постоянным нагрузкам, учитываемым при проектировании, относятся: вес строительных конструкций подземного сооружения и наземных зданий или сооружений, опирающихся на него или передающих нагрузку через грунт; давление грунтового массива, вмещающего сооружение, и подземных вод при установившейся фильтрации; усилия натяжения постоянных анкеров; распорные усилия и др.

К временным длительным нагрузкам относятся: вес стационарного оборудования подземных сооружений и другие полезные нагрузки; давление жидкостей и газов в резервуарах и трубопроводах; давление подземных вод при неустановившемся режиме фильтрации; нагрузки от складируемых на поверхности грунта материалов; температурные технологические воздействия; усилия натяжения временных анкеров; нагрузки, обусловленные изменением влажности, усадкой и ползучестью материалов и пр.

К кратковременным нагрузкам и воздействиям относятся: дополнительное давление грунтов, вызванное подвижными нагрузками на поверхности грунта; температурные климатические воздействия и пр.

К особым нагрузкам и воздействиям относятся: динамические воздействия от эксплуатируемых линий метрополитена, транспортных сооружений или промышленных объектов; воздействия, обусловленные деформациями основания при морозном пучении грунтов, и др.

Коэффициенты надежности по нагрузке и возможные сочетания нагрузок должны приниматься в соответствии с требованиями СНиП 2.01.07-85*.

Ограждения котлованов

4.2.5 В настоящем разделе рассмотрены ограждения котлованов, которые относятся к гибким подпорным стенам, устойчивость которых обеспечивается заделкой в грунтовом массиве, распорными и анкерными конструкциями. К гибким конструкциям относятся шпунтовые ограждения, «стены в грунте», ограждения из свай различных видов и способов устройства или профильных прокатных элементов.

4.2.6 При проектировании ограждений котлованов следует учитывать:

- технологические особенности возведения и последовательность технологических операций;

- необходимость передачи на конструкцию вертикальных нагрузок;

- необходимость устройства пристенного дренажа, использования анкерных или распорных конструкций;

- возможность изменений физико-механических характеристик грунтов, связанных как с природными процессами, так и с процессами бурения, забивки и другими технологическими воздействиями;

- воздействие морозного пучения;

- необходимость обеспечения требуемой водонепроницаемости конструкции;

- возможность применения конструктивных решений и мероприятий по снижению величин давлений грунта на подпорные стены (применение разгружающих элементов, геотекстиля, армогрунта и пр.).

4.2.7 Конструкции ограждений котлованов должны выбираться на основе технико-экономической целесообразности их применения в конкретных условиях строительства с учетом условий и длительности эксплуатации.

4.2.8 Глубина заложения ограждения котлованов должна определяться статическими расчетами.

При проектировании ограждений в водонасыщенных грунтах глубину заложения конструкций следует назначать с учетом возможности их заделки в водоупорный слой (с целью обеспечения производства работ по экскавации грунта без применения мероприятий по водоотливу или водопонижению).

4.2.9 Конструкции ограждений котлованов должны проектироваться с учетом устройства гидроизоляции в случае ее необходимости.

4.2.10 Проектирование ограждений котлованов при наличии агрессивной среды должно вестись с учетом требований СНиП 2.03.11-85.

4.2.11 При проектировании ограждений котлованов в грунтах, подверженных морозному пучению, следует предусматривать мероприятия по предотвращению проявления или по снижению сил морозного пучения. К таким мероприятиям относятся:

- теплоизоляция подпорной стены;

- понижение влагосодержания в пределах сезонно промерзающего слоя;

- обработка пучинистого грунта растворами, понижающими температуру его замерзания;

- повышение податливости конструкций подпорной стены для снижения сил морозного пучения.

4.2.12 В железобетонных подпорных стенах ограждений протяженных подземных сооружений следует предусматривать устройство температурно-усадочных деформационных швов в соответствии с требованиями действующих нормативных документов по проектированию железобетонных конструкций. Конструкция деформационных швов должна быть решена с учетом необходимости устройства гидроизоляции.

4.2.13 Подпорные стены, служащие ограждениями котлованов, а также их основания следует рассчитывать по двум группам предельных состояний.

Первая группа предельных состояний должна предусматривать выполнение следующих расчетов:

- устойчивости положения стены против сдвига, опрокидывания и поворота;

- устойчивости, несущей способности и местной прочности основания;

- прочности элементов конструкций и узлов соединения;

- несущей способности и прочности анкерных элементов;

- устойчивости и прочности распорных элементов;

- фильтрационной устойчивости основания.

Вторая группа предельных состояний должна предусматривать выполнение следующих расчетов:

- основания, подпорных стен и их конструктивных элементов по деформациям, в том числе с определением горизонтальных смещений;

- железобетонных элементов конструкций стен по раскрытию трещин.

4.2.14 При проектировании подпорных стен, устраиваемых способом «стена в грунте», следует выполнять расчет устойчивости стенок траншеи, заполненной тиксотропным раствором.

При проектировании подпорных стен, устраиваемых из отдельно стоящих профильных прокатных элементов или свай, следует выполнять расчет прочности основания на продавливание грунта.

4.2.15 При определении контактных напряжений и бокового давления грунта на подпорные стены ограждений котлованов следует учитывать:

- внешние нагрузки и воздействия на грунтовый массив, такие как пригрузка от складируемых материалов, нагрузка от строительных механизмов, транспортная нагрузка на проезжей части, нагрузка, передаваемая через фундаменты близрасположенных зданий и сооружений, и пр.;

- инженерно-геологические и гидрогеологические условия площадки;

- наклон поверхности грунта, неровности рельефа и отклонение границ инженерно-геологических элементов от горизонтали;

- возможность устройства берм и откосов в котловане в процессе производства работ;

- прочностные характеристики на контакте «стена-грунтовый массив»;

- деформационные характеристики подпорной стены, анкерных и распорных элементов;

- порядок и технологию производства работ;

- возможность перебора грунта в процессе экскавации;

- дополнительные давления на подпорные стены, вызванные пучением, набуханием грунтов, а также проведением работ по нагнетанию в грунт растворов, тампонажу и пр.;

- температурные и динамические (вибрационные) воздействия.

4.2.16 Силы трения и сцепления на контакте «стена-грунтовый массив» должны определяться в зависимости от:

- значений прочностных характеристик грунта;

- гидрогеологических условий площадки;

- качества поверхности контакта и материала подпорной конструкции;

- направления и значений перемещений стены;

- технологии устройства стены;

- способности ограждающей конструкции воспринимать вертикальные нагрузки.

При отсутствии экспериментальных исследований в расчетах по первой и второй группам предельных состояний допускается принимать следующие расчетные значения прочностных характеристик на контакте «стена-грунтовый массив»:

- удельное сцепление с_к = 0;

- угол трения грунта по материалу стены ц_к = г_кц, где ц-угол внутреннего трения грунта, г_к-коэффициент условий работы, принимаемый по таблице 4.1.

Таблица 4.1

Материал стены	Технология устройства и особые условия	гк
Бетон, железобетон	Монолитные гравитационные стены и гибкие стены, бетонируемые насухо	0,67
	Монолитные гравитационные стены, бетонируемые под глинистым раствором в грунтах естественной влажности.	0,5
	Сборные гравитационные стены
	Монолитные гибкие стены, бетонируемые под глинистым раствором в водонасыщенных грунтах.	0,33
	Сборные гибкие стены, устраиваемые под глинистым раствором в любых грунтах
Металл, дерево	В мелких и пылеватых водонасыщенных песках.	0
	В прочих грунтах	0,33
Любой	При наличии вибрационных нагрузок на основание	0

4.2.17 При расчетах гибких подпорных стен ограждений котлованов рекомендуется применять численные методы (например, МКЭ), используя нелинейные модели сплошных сред или нелинейные контактные модели, выбираемые в зависимости от типа грунтов и конструктивных особенностей сооружения. Численные методы, как правило, следует применять для ответственных и сложных подземных сооружений, а также при их устройстве вблизи существующей застройки и при применении распорных или анкерных креплений.

4.2.18 При использовании для расчетов гибких подпорных стен аналитических методов теории предельного равновесия (в которых давление грунта на конструкцию рассматривается как сумма заданной активной нагрузки и реактивного отпора грунта) в зависимости от жесткости стены применяют следующие схемы расчета:

- схема свободного опирания стены (схема Э.К. Якоби);

- схема заделанной стены (схема Блюма-Ломейера);

- метод местных упругих деформаций (метод коэффициента постели).

4.2.19 Ограждения котлованов могут быть закреплены одним или несколькими ярусами анкеров или распорок. Число ярусов, шаг, угол наклона, конструкция и размеры анкеров должны определяться расчетом в зависимости от высоты конструкции закрепляемой стенки, грунтовых условий и несущей способности анкеров.

Тип анкера должен назначаться исходя из расчетной выдергивающей нагрузки, вида грунтов и условий производства работ.

4.2.20 Грунтовые анкеры, используемые для крепления ограждений котлованов, подразделяются по срокам их работы на временные и постоянные. Временными считаются анкеры, срок работы которых не превышает двух лет.

Проектирование анкеров должно основываться на результатах статических расчетов системы «стена-грунтовый массив», в которых должна быть определена погонная осевая нагрузка на анкеры с учетом требуемого количества анкеров, отметок их установки, углов наклона анкеров к горизонту и углов отклонения анкеров в плане от нормали к стене.

Проектирование анкеров должно включать определение: числа анкеров в ярусе и их шаг; свободной длины анкерных тяг, обеспечивающей размещение заделок (корней) анкеров за пределами границы призмы обрушения; длины заделки анкеров, требуемой для восприятия проектных усилий; мест для устройства опытных анкеров; числа контрольных испытаний анкеров и порядка их выполнения; усилий, на которые должны быть напряжены анкеры, после проведения контрольных и приемочных испытаний.

5. Городские подземные сооружения мелкого заложения, возводимые закрытым способом

Введение

Конструкции и технологии возведения городских подземных сооружений мелкого заложения (комплексов многоцелевого назначения, подземных гаражей и автостоянок, коммуникационных тоннелей, пешеходных переходов) должны удовлетворять следующим основным требованиям:

- обеспечивать устойчивость стенок выработок в процессе проходки и эксплуатации сооружения;

- воспринимать нагрузки и воздействия от горного давления или толщи вышерасположенного грунта и наземного транспорта;

- обеспечивать водонепроницаемость обделок или их гидроизоляции;

- обеспечивать механизированную разработку грунта и возведение обделки;

- обеспечивать минимизацию нарушений поверхностных условий движения транспорта и пешеходов;

- исключать, по возможности, применение водопонижения, способного вызвать осадку поверхности грунта, наземных и подземных объектов;

- обеспечивать сохранность окружающего горного массива и близко расположенных наземных и подземных объектов;

- обеспечивать высокие скорости проходки, сокращение материалоемкости, трудоемкости и сроков строительства;

- обеспечивать соблюдение экологических, санитарно-технических и пожарных требований.

Строительство подземных сооружений мелкого заложения должно базироваться на применении индустриальных технологий с использованием современной проходческой техники, монолитных или сборных железобетонных конструкций обделок, комплексной механизации всех основных процессов и специализации отдельных видов работ, внедрении в производство работ новых строительных материалов.

При этом весь комплекс подземного сооружения должен возводиться в единых конструктивных и технологических решениях, взаимно увязанных между собой.

5.1 Горные способы работ

5.1.1 Горный способ заключается в разработке всего сечения выработки за один прием или по частям с заменой вынимаемой породы временной крепью с последующим возведением постоянной обделки из монолитного бетона или из железобетонных элементов. Плотный контакт обделки с окружающим массивом грунта обеспечивается нагнетанием за обделку цементного раствора.

5.1.2 Существующие основные способы производства работ по сооружению выработки горным способом могут быть подразделены на три группы:

- к первой группе относят способы, при которых сечение выработки целиком освобождают от породы, используя варианты полностью раскрытого сечения (поточный и кольцевой варианты), сплошного забоя, ступенчатого забоя, центральной штольни, подсводного разреза, нижнего и верхнего уступов, после чего в выработке полного сечения сооружают стены и свод обделки;

- ко второй группе относят способы, когда сначала раскрывают и закрепляют калотту, в которой возводят свод, опираемый непосредственно на породу, применяя варианты проходки двухштольной, одноштольной и с опережающей калоттой);

- в третьей группе способов стены обделки сооружают в штольнях, после чего раскрывают калотту, в которой возводят свод, опираемый на стены (способ опорного ядра).

5.1.3 Способы проходки выработок и средства механизации определяют в зависимости от назначения сооружения, размеров и формы поперечного сечения, инженерно-геологических условий и др. на основании результатов технико-экономического сравнения вариантов.

5.1.4 До начала основных работ по сооружению выработок при необходимости следует производить проходку передовой штольни в пределах всего сечения для обеспечения осушения выработки и отвода самотеком подземных вод, улучшения ее вентиляции, организации транспортной связи между портальными площадками и уточнения инженерно-геологических условий.

5.1.5 Способ сплошного забоя следует применять для проходки выработок высотой до 10 м с монолитной обделкой в скальных грунтах с коэффициентом крепости по Протодьяконову не менее 4. При этом временное крепление выработки при проходке в скальных (невыветрелых) грунтах с коэффициентом крепости от 12 и выше не требуется, а при проходке скальных выветрелых и сильнотрещиноватых грунтов применение временной крепи обязательно.

5.1.6 Уступный способ следует применять для проходки выработок высотой более 10 м, сооружаемых в скальных грунтах с коэффициентом крепости не менее 4 и для проходки выработок высотой менее 10 м в скальных грунтах с коэффициентом крепости от 2 до 4. Проходку выработок следует осуществлять преимущественно с нижним уступом.

5.1.7 Способ опертого свода допускается применять при сооружении выработок или их участков длиной до 300 м в дисперсных грунтах типа твердых глин и суглинков, в сцементированных крупнообломочных и других грунтах, а также в скальных грунтах с коэффициентом крепости от 1 до 4, способных воспринять давление от пят свода обделки с учетом всех нагрузок, действующих на свод. При сооружении выработок в необводненных грунтах способ опертого свода должен применяться преимущественно по одноштольной схеме. Выработки в водонасыщенных грунтах следует сооружать по двухштольной схеме.

Верхняя и нижняя штольни должны соединяться между собой грунтоспусками (фурнелями), а также наклонными стойками (бремсбергами).

При проходке тоннелей способом опертого свода раскрытие калотт надлежит вести отдельными участками (кольцами), длина которых устанавливается в зависимости от инженерно-геологических условий и не должна превышать 6,5 м.

5.1.8 Способ опорного ядра следует применять при сооружении выработок или их участков длиной до 300 м в неводонасыщенных глинистых грунтах, не способных воспринимать давление от свода обделки. В этом случае стены возводят в штольнях, после чего раскрывают калотту, в которой возводят свод, опираемый на стены.

При сооружении тоннелей сечением более 40 м² допускается предварительная проходка по оси выработки нижней транспортной штольни.

Боковые штольни для возведения стен при проходке выработок следует, по возможности, разрабатывать на всю длину сооружаемого участка выработки.

5.1.9 Разработку грунта в забое в зависимости от инженерно-геологических условий, размеров поперечного сечения и принятого способа проходки производят следующими способами:

- при проходке сплошным забоем-буровзрывным способом с использованием буровой техники и уборкой грунта породопогрузочными машинами или экскаваторами;

- при проходке уступным способом-верхнего уступа буровзрывным способом с использованием самоходных бурильных установок или горнопроходческими комбайнами, а нижнего уступа-буровзрывным способом с использованием самоходных бурильных установок и уборкой грунта экскаваторами или породопогрузочными машинами;

- при проходке выработки по частям (способами опертого свода и опорного ядра)-в калотте и боковых штроссах-отбойными молотками и пневматическими лопатами; в ядре-тоннельными экскаваторами или буровзрывным способом с уборкой грунта малогабаритными породопогрузочными машинами.

5.1.10 В последнее время работы по разработке грунта в забое выработок и вывозе на поверхность земли ведутся современными автоматизированными и механизированными средствами.

Большое применение находят проходческие комбайны с механизированной установкой временных и постоянных крепей.

5.1.11 В настоящее время создаются и внедряются новые более эффективные способы разработки грунта: гидравлический, пневматический, электрофизический, химический и др.

Эти способы могут быть применены самостоятельно или в сочетании с механическими способами.

5.1.12 Выбор средств механизации следует производить из условий обеспечения поточного процесса при наименьших затратах и сроках продолжительности строительства.

5.1.13 Переборы грунта против проектного поперечного сечения выработки в скальных грунтах в случаях разработки выработок буровзрывным способом без применения метода контурного взрывания не должны превышать значений, указанных в табл. 5.1.

В дисперсных грунтах перебор грунта против проектного сечения при разработке выработок механическими средствами не должен превышать 50 мм. В подошве выработки без обратного свода и при разработке лотка под обратный свод в дисперсных грунтах переборы грунта не допускаются.

Таблица 5.1

Выработки	Значение перебора грунта, мм, при грунтах с коэффициентом крепости
	от 1 до 4	от 4 до 12	от 12 до 20
Тоннели	100	150	200
Стволы и штольни	75	75	100

Способ заполнения пустот, образовавшихся от переборов грунта против проектного сечения, должен устанавливаться проектом производства работ.

5.1.14 Временное крепление выработок при проходке сплошным забоем или уступным способом в скальных грунтах трещиноватых, прочных и средней прочности надлежит выполнять с применением анкерной или набрызг-бетонной крепей или их сочетаний.

Использование арочной крепи в качестве временного крепления допускается при технико-экономическом обосновании. В этих случаях арочную и анкерно-арочную крепь допускается применять в трещиноватых скальных грунтах с коэффициентом крепости до 8, а также в зонах с тектоническими нарушениями.

5.1.15 Набрызг-бетон следует применять в качестве временной крепи при проходке в скальных трещиноватых грунтах, не проявляющих горное давление. При проходке выработок в скальных трещиноватых и выветрелых грунтах, проявляющих горное давление, следует применять набрызг-бетон, армированный металлической сеткой в сочетании с анкерной крепью.

Число слоев набрызг-бетона устанавливается в зависимости от инженерно-геологических условий и принятой проектом толщины набрызг-бетона.

5.1.16 Анкерная крепь должна применяться для временного крепления выработок на период производства работ до возведения постоянной обделки в скальных трещиноватых грунтах с коэффициентом крепости от 4 и выше. При этом применяют железобетонные, полимербетонные или металлические анкеры. Применение анкерной крепи в более слабых грунтах должно быть обосновано натурными исследованиями.

При устройстве анкерной крепи в мерзлых грунтах с использованием железобетонных анкеров должны применяться растворы, в которые введены добавки, ускоряющие схватывание, или производится электропрогрев для обеспечения твердения растворов.

5.1.17 Конструкция анкеров, их число и длина определяются проектом в зависимости от крепости и состояния грунта.

На анкерную крепь должен составляться паспорт с учетом инженерно-геологических особенностей каждого участка по длине выработки.

5.1.18 Допускаемые отклонения фактического положения анкерной крепи от проектного не должны превышать следующих значений: расстояние между анкерами - ±10%; размер шпура - 5 мм; угол наклона шпура - 10°.

5.1.19 Горные способы работ получили совершенствование в разных странах.

1) В Японии проходку тоннелей в крепких скальных породах выполняют с забуриванием в забое системы щелей. Для этого по контуру тоннельной выработки или непосредственно на поверхности лба забоя устраивают разгружающие щели, которые ослабляют массив и облегчают разработку его взрывным способом.

Данную технологию целесообразно применять в крепких скальных породах, сохраняющих устойчивость опережающих щелей на период осуществления основных горнопроходческих операций, включенных в технологический цикл.

2) В КНР в скальных породах применяют способ центральной штольни. При этом способе горнопроходческие работы выполняют с предварительной проходкой центральной пилот-штольни, из которой забуривают веерные шпуры. Чтобы повысить степень устойчивости забоя и избежать загромождения пилот-штольни взорванной породой, необходимо создавать опережение нижней части забоя, т.е. устраивать своеобразный верхний уступ, что достигается определенной последовательностью взрывания верхних шпуров. Такая технология буровзрывных работ имеет следующие достоинства:

- возможность детального изучения геологических условий ведения работ;

- ускорение буровзрывных работ за счет ведения их на широком фронте пилот-штольни;

- возможность избирательного закрепления грунтов.

Эта технология наряду с ускорением темпов проходки позволяет проводить эвакуацию породы со снижением стоимости горнопроходческих работ.

3) В зарубежной практике с применением горного способа работ построено много подземных сооружений (подземных гаражей и автостоянок, подземных убежищ, хранилищ и др.).

Характерным примером является построенный горным способом подземный гараж тоннельного типа на 1500 автомобилей в г. Зальцбурге (Австрия).

Два тоннеля длиной по 136 м расположены параллельно в скальных породах и соединены между собой сбойками (рис. 5.1). Каждый тоннель сводчатого очертания пролетом 16 м и высотой 15 м рассчитан на 4-ярусное хранение автомобилей. На каждом ярусе высотой 2,2 м принята двухсторонняя прямоугольная расстановка автомобилей перпендикулярно оси проезда; размеры стояночного места 52,3 м, ширина проезда 6 м. По торцам тоннелей устроены спиральные рампы диаметром 18 м для проезда автомобилей с яруса на ярус.

Проходка тоннелей велась преимущественно буровзрывным способом, а частично-тоннелепроходческой машиной с рабочим органом избирательного действия типа «АМ-50» производительностью 40 м³/ч. Обделку тоннелей возводили из набрызг бетона.

5.1.20 Наиболее прогрессивным методом при строительстве подземных сооружений горным способом является новоавстрийский способ проходки тоннелей (НАТМ).

Технология НАТМ крепления выработки заключается в создании специальной торкрет-крепи, удерживаемой стержневой анкерной системой, сооружаемой с максимальным вовлечением в работу вмещающего массива грунта (рис. 5.2).

По этому способу возводят двухслойную обделку замкнутого очертания. Первичная обделка выполняется из набрызг-бетона толщиной 10-20 см и усиливается стальными арками или анкерами, а вторичная-из монолитного бетона или набрызг-бетона толщиной 25-35 см.

При строительстве тоннелей с применением НАТМ эффективными оказываются ребристые обделки из набрызг-бетона, усиливаемые решетчатыми арками. При этом вместо дорогостоящей прокатной, профильной стали используются армирующие элементы из сварных арматурных каркасов различного поперечного сечения.

Использование НАТМ позволяет:

- увеличить диапазон применения горнопроходческого способа работ в сложных инженерно-геологических условиях, в том числе в слабых грунтах, в которых затруднительно применение традиционного горного способа производства работ;

- увеличить несущую способность крепи без ее утолщения за счет установки усиливающих элементов (арок, анкеров);

- возводить подземные сооружения практически любой формы и размеров поперечного сечения;

- производить разработку породы как буровзрывным способом, так и механизированными способами с применением экскаваторов и различных тоннелепроходческих машин;

- сочетать проходку со специальными способами упрочнения грунтов осушением, закреплением инъекционными методами, замораживанием и др.;

- обеспечивать снижение стоимости строительства до 10% по сравнению с другими способами.

5.1.21 Основным требованием при строительстве подземных сооружений методом НАТМ является проведение мониторинга за поведением грунтового массива, как в проводимой горной выработке, так и на земной поверхности. Сбор, оценка, оптическая и письменная индикация данных наблюдений проводятся с использованием компьютерной техники и с применением высокоточного математического аппарата. Основным условием при проведении мониторинга является немедленное представление результатов измерений руководству стройки и органам технического надзора для принятия неотложных мер.

Рис. 5.1 Схема подземного гаража в г. Зальцбурге (Австрия): 1 - тоннель-стоянка; 2 - въездная рампа; 3 - выездная рампа; 4 - стояночные места; 5 - проезды; 6 - вспомогательные выработки; размеры в метрах

Рис. 5.2 Сравнение конструкций обделок, выполняемых горным и новоавстрийским методами

а) горный способ: 1 - деревянная затяжка; 2 - стальная арка; 3 - рошпаны; (1, 2, 3 - составляют временную крепь, расположенную вне постоянной обделки); 4 - бетонная или железобетонная постоянная обделка; 5 - обратный свод

б) новоавстрийский метод: 6-несущий породно-анкерный свод; 7 - анкеры; 8 - наружный слой обделки из набрызг-бетона толщиной 5-15 см (вместе с анкерами служит временной крепью); 9 - внутренний слой постоянной обделки из набрызг-бетона или бетона толщиной 15-35 см

5.1.22 Способ НАТМ благодаря техническим и экономическим преимуществам в течение последних 10-15 лет стал стандартным в области подземного строительства.

Во многих странах западной Европы, Азии и в Америке НАТМ обогащен различными модификациями и применяется практически в любых инженерно-геологических условиях и на любой глубине. Специальные мероприятия по закреплению грунтов создают возможность применять этот метод в слабых водонасыщенных грунтах.

При использовании НАТМ стали применять проходческие комбайны, например, «Паурат Е 242» и податливую тюбинговую крепь с элементами обжатия породы типа «Мейсо».

5.1.23 Ниже приведены примеры использования НАТМ в мировой практике.

1) В Вене и Копенгагене НАТМ построены метрополитены мелкого заложения с предотвращением осадок в густонаселенных районах посредством инъекций укрепляющих растворов во вмещающие породы и с водопонижением до 10 м.

Комбайны избирательного действия фирм «Ноэль», «Альпинист Вестфалия» позволяют при новоавстрийском способе проходить тоннели высотой до 6,5 м и шириной до 7,8 м.

2) В США в последние годы технологию НАТМ в значительной степени модифицировали, сохранив основные принципы, но приспособив ее к условиям подземного строительства Северной Америки.

Для модифицированной «Североамериканской технологии» характерно более интенсивное применение для разработки породы тоннелепроходческих машин со стреловым рабочим органом, обладающих достаточно высокой производительностью и не требующих привлечения ручного труда. Кроме того, в США часто устраивают дополнительный дренаж и инъекционное закрепление слабоустойчивых грунтов.

3) Несколько видоизмененную технологию НАТМ используют в Норвегии. В трещиноватых скальных породах ее применяют в сочетании с буровзрывными работами, а в мягких породах-с механизированной разработкой. Главная особенность «Норвежского метода»-крепление выработки дисперсно армированным набрызг-бетоном, наносимым «мокрым» способом, и анкерами.

4) Одним из примеров успешной реализации технологии НАТМ для возведения подземных сооружений является строительство трехъярусной подземной автостоянки на 345 автомобилей в г. Ландесберге (Германия). В связи с тем, что место расположения стоянки окружено памятниками архитектуры и создание наземных объектов практически невозможно, был принят закрытый способ работ.

По данным инженерно-геологических изысканий с поверхности залегает 17-метровый слой плотного гравия и конгломерата, подстилаемый слоем водоупорной глины толщиной 3-34 м. Уровень подземных вод располагается на глубине 1 м от поверхности земли.

Стоянка выполнена в виде подземной выработки длиной 180 м, пролетом 18,9 м и высотой 16,4 м (рис. 5.3). Строительство автостоянки осуществлено в 6 этапов с разработкой породы экскаватором «обратная лопата» и креплением каждого элемента выработки (площадь поперечного сечения 20-40 м²) слоем набрызг-бетона и решетчатыми арками с шагом 0,8-1 м. Набрызг-бетон наносили по «сухой» технологии. Стены основной выработки закрепляли 2-мя слоями набрызг-бетона толщиной 20 см с двумя стальными сетками. Помимо основной выработки сооружены 60-метровый проходной тоннель, 3 лифтовых шахтных ствола глубиной 30 м и аварийно-вентиляционный ствол глубиной 37 м. Строительство автостоянки сопровождалось измерениями деформаций поверхности земли, зданий, сооружений, а также проходимых подземных выработок.

Рис. 5.3 Продольный разрез (а) и поперечный разрез (б) подземной автостоянки в г. Ландесберге (Германия): 1 - стояночные места; 2 - обделка; 3 - проезд; 4 - въезд-выезд; 5 - аварийный выезд; (расстояние в метрах)

5) Горным способом возведен крупнейший подземный спорткомплекс в Норвегии в районе Холмлиа, занимающий территорию 6800 м². Основные выработки сводчатого поперечного сечения, пролетами 15-25 м и высотой 8,5-13,2 м заложены на глубинах 16-18 м от поверхности земли.

6) В г. Чикаго построен подземный комплекс для насосной станции сточных и ливневых вод. Подземные выработки сводчатого очертания пролетом 19,2 м, высотой 29,3 м и длиной 83,7 м сооружались буровзрывным способом.

5.2 Проходка выработок под защитой опережающей крепи

градостроительный инженерный геологический подземный

5.2.1 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.

5.2.2 По типу защитные экраны подразделяют: на металлические железобетонные из труб, из стабилизированного закрепленного грунта и опережающей бетонной крепи.

5.2.3 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.

5.2.4 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.

5.2.5 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.

Рис. 5.4 Схема экрана из труб: 1 - трубы; 2 - подземная выработка; 3 - котлован; 4 - упорная площадка; 5 - домкрат

5.2.6 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.

5.2.7 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.

5.2.8 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.

Рис. 5.5 Способ соединения труб: 1-трубы; 2-замковые соединения

5.2.9 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.

5.2.10 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.

5.2.11 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.

5.2.12 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.

5.2.13 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.

5.2.14 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.



Рис. 5.6 Схема проходки участка тоннеля мелкого заложения с ОБК: 1-опережающая бетонная крепь; 2-обделка тоннеля; 3-щель; 4-«стена в грунте»; 5-гидроизоляция

5.2.15 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.).

Рис. 5.7. Схема экранов из закрепленного грунта: 1 - закрепленный грунт; 2 -обделка; 3 - подземная выработка

5.2.16 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.

5.3 Способ продавливания пешеходных и коммуникационных тоннелей небольшого диаметра

5.3.1 Способ продавливания наиболее эффективен при строительстве тоннелей и прокладке инженерных коммуникаций под автомобильными и железнодорожными магистралями, а также на участках городских территорий в непосредственной близости от существующих зданий и подземных сооружений (рис. 5.8).

Рис. 5.8 Схема продавливания пешеходного тоннеля

1 - ножевая секция; 2 - горизонтальные полки; 3 - продавливаемая обделка; 4 - контактный провод; 5 - кран; 6 - секция обделки; 7 - распределительная рама; 8 - домкратная установка; 9 - опорная стена; 10 - забойный котлован

Способом продавливания в г. Москве только трестом ГПР-3 Главмосинжстроя прокладывается до 8-10 км трубопроводов диаметром 800-2000 мм. С использованием этого способа построены пешеходные тоннели у железнодорожной станции «Беговая», под путями Казанского вокзала, между станциями метро «Варшавская» и «Коломенская», у станций метро «Тушинская» и «Ботанический сад» и др.

За рубежом (в Великобритании, Германии, Италии, Франции, США, Японии и др.) способ продавливания получил широкое применение при строительстве коллекторных, пешеходных и транспортных тоннелей.

5.3.2 Способ продавливания применяют в насыпях, уплотненных, осушенных несвязных грунтах. В слабых водонасыщенных грунтах продавливание производят с применением водопонижения.

Способ применяют, как правило, для продавливания тоннелей небольшой длины (в США, Германии и Японии имеется опыт продавливания коллекторных тоннелей до 60-80 м и более).

5.3.3 Поперечные сечения трубопроводов, применяемых при способе продавливания, могут быть круглые, трапецеидальные, квадратные, прямоугольные и др. с размером труб 800-2000 мм. Материал трубопроводов-сталь, железобетон и различные полимерные материалы. Трубы выпускают звеньями длиной 1,5-3,0 м, а при использовании телескопических домкратных установок - до 5 м. Стыки между секциями труб уплотняют и изолируют, создавая водонепроницаемое соединение.

5.3.4. Обделки коллекторных и пешеходных тоннелей чаще всего выполняют в виде цельных секций из обычного или преднапряженного железобетона, прямоугольного, сводчатого или кругового очертания длиной до 2-3 м и массой до 20 т и более. Цельнотянутые обделки имеют, как правило, заводскую гидроизоляцию, а при строительстве производят только герметизацию стыков между секциями.

...