Тунельна обробка

Полезная модель относится к строительству коммунальных транспортных и други х подземных туннелей, в частности к конструкциям многослойных туннельных обделок и может быть использована при выполнении строительных работ на подрабатываемых территориях в условиях неравномерных деформаций грунтового массива. В грун товых массивах на подрабатываемых территориях со временем происходят различного характера деформационные процессы, которые воздействуют на подземные туннели, в частности на их обделку, выполняющую функцию крепи и гидроизоляции туннеля. В результате, в условиях неравномерно деформируемого грунтового массива, протяженные обделки подземных туннелей испытывают деформации в поперечном, продольном направлениях, а также связанные с изменением кривизны по длине туннеля. При этом обычная двухслойная обделка, например коммунальных туннелей (коллекторов), состоящая из первичной сборной и вторичной монолитной железобетонных конструкций, в таких условиях не удовлетворяет эксплуатационным требованиям, так как деформации грунтового массива через первичную обделку непосредственно, без какой либо компенсации, передаются на вторичную обделку, что со временем приводит к произвольному растрескиванию вторичной обделки, нарушению герметичности туннеля и невозможности его дальнейшей нормальной эксплуатации. Усиление вторичной обделки, например двухрядным армированием, приводит к увеличению расхода арматуры, усложнению процесса бетонирования и в итоге к значительному удорожанию строительства туннелей. Известны многослойные обделки туннелей, один из слоев которых, расположенный между грун товым массивом и внутренним слоем обделки, выполнен из упругого или податливого материала. Такой компенсационный слой в условиях неравномерных деформаций грунтового массива, в той или иной степени, в зависимости от механических свойств материала и толщины компенсационного слоя, компенсирует деформации грунтового массива, разгружая таким образам внутренний слой обделки (вторичную обделку) от силового воздействия грунтового массива, возникающего в результате его деформации. Так, известна двухслойная крепь горных выработок, содержащая сборную обделку из железобетонных элементов и слой резиновой смеси, расположенный между обделкой и горным массивом (авторское свидетельство СССР №1362809, Е21d11/10, пp.16.06.86). Указанный слой резиновой смеси согласно изобретению образуют путем вулканизации сырой резиновой смеси нагреванием её при помощи электропроводного резинового листа, располагаемого вместе с сырой резиной в пространстве между горным массивам и обделкой выработки. Образованный таким образом упругий слой частично компенсирует воздействие деформаций гарного массива на обделку выработки. Общими признаками аналога и заявляемой туннельной обделки является наличие внутреннего слоя обделки и компенсационного упругого слоя, расположенного между горным или грунтовым массивом и внутренним слоем обделки. Описанное решение двухслойной обделки позволяет в условиях неравномерно деформируемого грунтового массива достаточно аффективно компенсировать воздействие деформаций в радиальном направлении, когда допустимые упругие деформации компенсационного слоя, зависящие от толщины этого слоя и модуля деформации его материала, в достаточной степени разгружают внутреннюю обделку от радиальных деформационных нагрузок. В то же время выполненный таким образом компенсационный слой не эффективен для защиты внутренней обделки от осевых составляющих деформаций грунтового массива, так как на протяженных подземных сооружениях, к которым относятся туннели, при реально имеющей место относительной осевой деформации грунтового массива абсолютные значения деформаций грунтового массива достигают величин, несоизмеримых с деформационными возможностями упругого комсенсационного слоя. Другими словами рассматриваемая конструкция двухслойной обделки, характеризующаяся упругой связью грунтового массива с внутренним слоем обделки, не позволяет компенсировать воздействие осевых деформаций грунтового массива на протяжённые участки внутреннего слоя обделки, так как абсолютные величины деформаций грунтового массива могут быть несоизмеримо больше деформационных возможностей реально выполнимого упругого компенсационного слоя, что требует мер по усилению внутреннего слоя обделки или выполнения деформационных швов в виде разрывов сплошности обделки с вытекавшим, как следствие, усложнением и удорожанием строительства. Следует отметить, что существуе т множество и други х конструкций двухслойных туннельных обделок, основанных на указанном выше принципе, которые в основном отличаются материалом и особенностями выполнения упругого компенсационного слоя, расположенного между грунтовым массивом и внутренним слоем обделки, например известна сборная обделка туннеля из железобетонных элементов по авторскому свидетельству СССР №1283406, Е21d11/10, пр.13.08.85. Элементы обделки по наружной поверхности покрыты податливым слоем из легкосжимаемого материала. Элементы обделки устанавливают в выработке после чего пространство между контуром выработки и податливым слоем обделки тампонируют цементным раствором, обеспечивая связь грунтового массива с обделкой через податливый слой из легкосжимаемого материала. Сборная обделка из железобетонных материалов по авторскому свидетельству СССР №1467194, Е21d11/10, пр.28.01.87 усовершенствована по сравнению с описанной выше, так как выполнена с возможностью обжатия обделки в контур выработки, в результате чего податливый слой обделки за счет сил трения и сцепления жестко соединяется с поверхностью выработки, обеспечивая связь грунтового массива с обделкой через податливый слой. По авторскому свидетельству №981617, Е21d11/10, пр.01.12.80 известна двухслойная крепь, содержащая несущий слой крепи по контуру выработки, а также демпферный слой из низкомодульного материала, расположенный между несущим слоем крепи и контуром выработки и образованный свободно уложенными элементами из низкомодульного материала и тампонажным слоем из того же низкомодульного материала, заполняющим пустоты между контуром выработки и свободно уложенными элементами из низкомодульного материала. Конструктивные особенности приведенных выше двухслойных туннельных обделок не позволяют в достаточной степени компенсировать воздействие на туннельную обделку осевых деформаций грунтового массива, так как величина этих деформаций значительно превышает деформационные возможности упругого компенсационного слоя, через который реализуется упругая связь грунтового массива с внутренним слоем туннельной обделки. Широкое применение в строительстве туннелей находят трехслойные туннельные обделки. Так в соответствии с заявкой ФРГ №3223330, Е21d11/10, пр.23.06.82, известна обделка штреков или туннелей, которая включает несущую бетонную прослойку, прилегающую к породе, за которой следует эластичная рубашка из резины или синтетического материала. Далее следует второй бетонный слой, который связывается с ранее уложенными слоями и грунтом при помощи анкеров или нагелей. Общими признаками аналога с заявляемой обделкой являются наружный слой обделки (первичная обделка), внутренний слой обделки (вторичная обделка), компенсационный эластичный слой (рубашка), расположенный между наружным и внутренними слоями обделки. Такая трехслойная обделка гидроизолирует туннель, позволяет компенсировать действие деформаций грунтового массива на внутреннюю обделку в радиальном направлении при соответствующем выборе толщины, материала компенсационного слоя и его модуля деформации. Однако, осевые деформации грунтового массива передаются на внутренний слой обделки через анкерную взаимосвязь слоев и упругую взаимосвязь через компенсационный слой, деформационные возможности которого недостаточны для компенсации осевых перемещений связанного с грунтовым массивом внешнего слоя обделки без передачи этих деформаций на внутренний слой обделки. Другими словами наружный и внутренний слои рассматриваемой обделки недостаточно податливы друг относительно друга в осевом направлении для того, чтобы исключить передачу осевых деформации грунтового массива на внутренний слой обделки. Известна трехслойная обделка туннельных выработок по заявке ФРГ №3127453, Е21d11/04, пр.11.07.81, которая содержит первичную обделку в виде слоя набрызгбетона, образующего наружную оболочку, вторичную обделку, которая выполнена из дисперсно-армированного набрызгбетона и эластичной оболочки на основе двухкомпонентной полиуретановой смолы, наносящейся через сопло на первичную обделку. Общими признаками аналога с заявляемой обделкой являются первичная обделка для связи с грунтовым массивом, вторичная обделка и компенсационный эластичный слой, расположенный между первичной и вторичной обделками. Как и в выше приведенном аналоге упругая связь первичной и вторичной обделок через расположенный между ними компенсационный слой не позволяет разгрузить вторичную обделку от воздействия осевых деформаций грунтового массива в связи с ограниченными деформационными возможностями компенсационного слоя, не позволяющими обеспечить необходимую податливость первичной и вторичной обделок друг относительно друга в осевом направлении. Увеличение податливости слоев трехслойной обделки зачастую выполняют путем подбора материала компенсационного слоя. Известно выполнение компенсационного слоя из битумных материалов, характеризующи хся достаточно высокой пластичностью. Так, известен вертикальный ствол, содержащий наружную и внутреннюю оболочки, изготовленные из железобетонных тюбингов, пространство между которыми заполнено битумом. («Рекомендации по охране вертикальных стволов в Челябинском бассейне", ВНИМИ, Ленинград, 1969, с.27-29). Такая конструкция ствола создает условия для равномерного распределения напряжений в крепи ствола и компенсации вертикальных и горизонтальных сдвижений горных пород за счет перемещения пластичного слоя. Однако такое выполнение компенсационного слоя неэффективно в случаях относительно быстро изменяющихся деформационных процессов в грунтовом массиве, что зачастую имеет место на подрабатываемых территориях, так как компенсационный слой характеризуется отсутствием упругих свойств и высокой вязкостью, а при значительных осевых деформациях, что характерно для протяжённых туннелей, касательные напряжения, действующие на вторичную обделку, достигают значительных величин из-за высокой вязкости битума. Выполнение компенсационных слоев на основе битумных материалов известно также для создания слой скольжения между бетонными и грунтовыми элементами профиля плотин, обеспечения их независимых взаимных смещений и снижения трения между грунтом и бетонным элементом плотины. (Гидротехническое строительство, 1993, №2, с.49). Особенности битумного материала, как и в выше описанном примере, не позволяют выполнить компенсационный слой высокой податливости и снизить касательные напряжения при значительных осевых деформациях грун тового массива и относительно быстро изменяющихся деформационных процессах в грунтовом массиве на подрабатываемых территориях. В качестве прототипа выбрана податливая крепь для туннелей, известная по патенту ПНР №111194, Е21d5/012, 07.09.77. В описании изобретения по указанному патенту отмечается, что известные конструкции туннельной крепи, представляющие собой сочетание предварительной железобетонной крепи с постоянной с использованием битумной прослойки между ними довольно жесткие, трудоёмки в выполнении и дорогостоящие. Заявлена конструкция податливой крепи, которая включает предварительную крепь из набрызгбетона по контуру выработки (с применением анкеров, вяжущи х элементов или без их применения), постоянную железобетонную крепь и компенсационный слой между ними из рыхлого песка. Возведение податливой крепи, такой конструкции осуществляют в два этапа. На первом этапе сооружают предварительную крепь, заполняют песком нижнюю часть туннеля поверх песка укладывают металлическое кольцо постоянной крепи. На втором этапе заполняют песком пространство между предварительной крепью и кольцом постоянной крепи и сооружают постоянную монолитную бетонную крепь. Общими признаками прототипа с заявляемой туннельной обделкой являются первичная обделка для связи с грунтовым массивом, вторичная обделка и компенсационный слой расположенный между первичной и вторичной обделками. Применение рыхлого песка а качестве материала компенсационного слоя позволяет компенсировать только небольшие по величине деформационные воздействия грунтового массива на постоянную крепь, так свойства рыхлого песка имеют ограниченные возможности в части его податливости, которая обеспечивается некоторыми возможностями "перетекания песка, локального его уплотнения и смещения слоев песка в тангенциальном направлении. Такая конструкция туннельной обделки достаточно эффективно позволяет компенсировать медленно развивающиеся деформации в радиальном направлении, но не обеспечивает разгрузку вторичной обделки от деформационных нагрузок в осевом направлении, так как осевые деформации на протяженных участках туннелей значительно превосходят податливость рыхлого песка в связи с ограниченными возможностями "перетекания", локального уплотнения песка и смещения его слоем в продольном направлении, что снижает нагрузочную способность туннельной обделки. Анализ приведенных аналогов свидетельствуе т о том, что основным средством компенсации воздействия деформаций грунтового массива на вторичную обделку туннеля является выполнение компенсационного слоя между вторичной обделкой и грунтовым массивом в двухслойной обделке или между первичной и вторичной обделкой в трехслойной обделке. При этом компенсационный слой должен обладать упругими свойствами и низким модулем деформации для эффективной компенсации радиальных составляющих деформаций грунтового массива и высокой податливостью в осевом направлении для компенсации осевых составляющих де формаций, достигающих значительный величин в условиях протяженных подземных туннелей на подрабатываемых территориях. При этом следует отметить, что задача компенсации радиальных составляющих де формаций принципиально решается подбором низкомодульного упругого материала и выбором толщины компенсационного слоя для заданных условий эксплуатации туннеля. В то же время обеспечение высокой податливости компенсационного слоя в осевом направлении в описанных аналогах не достигается в той степени, которая необходима для разгрузки вторичной обделки протяженных туннелей. Учитывая выше изложенное в основу полезной модели поставлена задача усовершенствования многослойной туннельной обделки, в которой за счет конструктивных особенностей выполнения компенсационного слоя обеспечивалась бы белее высокая нагрузочная способность туннельной обделки благодаря большей податливости первичной отделки относительно вторичной в осевом направлении при сохранении деформационных возможностей компенсационного слоя в радиальном направлении и за счет этого достигалась бы более высокие эксплуатационные характеристики туннельной обделки в условиях неравномерного деформируемого грунтового массива. Поставленная задача решается тем, что в туннельной обделке, включающей первичную обделку для связи с грунтовым массивом, вторичную обделку и расположенный между ними компенсационный слой, согласно полезной модели компенсационный слой выполнен из двух оболочек из эластичного материала, между которыми расположен антифрикционный материал. Перечисленные признаки составляют сущность полезной модели. Целесообразно оболочки изготовить из низкомодульного материала, а суммарную толщину оболочек выбрать из соотношения: где: - суммарная толщина оболочек; - максимальная величина прогиба первичной обделки от внешних нагрузок и воздействий. В качестве антифрикционного материала целесообразно применить консистентные смазки или мелкодисперсное смазывающие вещества, такие как графитовый порошок, доломитная пудра. Указанное особенности выполнения компенсационного слоя не являются обязательными, а только предпочтительными с точки зрения заявителя и не исключают други х вариантов в пределах сущности заявляемой полезной модели. Достигаемый технический результат, выражающийся в повышении нагрузочной способности туннельной обделки благодаря большей податливости первичной и вторичной обделок туннеля в их взаимном перемещении в продольном направлении с сохранением деформационных возможностей компенсационного слоя в радиальном направлении обеспечивается выполнением компенсационного слоя в виде двух оболочек, изготовленных из низкомодульного упругого материала, одна из которых контактирует с первичной обделкой, а другая - с вторичной обделкой, а между собой указанные оболочки контактируют через слой антифрикционного материала. Такое выполнение компенсационного слоя обеспечивает возможность перемещения оболочек друг относительно друга в продольном направлении, а значит и возможность неограниченного относительного перемещения связанных с оболочками первичной и вторичной обделок вдоль оси туннеля. Следовательно, действие осевых деформаций грунтового массива на вторичную обделку туннеля будет уменьшается в результате шва скольжения, образованного в компенсационном слое. В то же время деформационные возможности оболочек компенсационного слоя, которые определяются их толщиной и материалом, позволяют эффективно компенсировать воздействие радиальных деформаций грунтового массива. Изложенное выше свидетельствует, что признаки, составляющие сущность полезной модели находятся в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Ниже приводится подробное описание заявляемой туннельной обделки со ссылками на чертежи, на которых представлено: Фиг.1 – продольный разрез туннельной обделки; Фиг.2 – поперечный разрез туннельной обделки. Туннельная обделка состоит из первичной обделки 1, взаимосвязанной с грунтовым массивом 2, вторичной обделки 3, эластичных оболочек 4 и 5. Эластичная оболочка 4 примыкает к первичной обделке 1, а эластичная оболочка 5 – к вторичной обделке 3. между оболочками 4 и 5 расположен слой 6 антифрикционного материала. Оболочки 4 и 5 со слоем 6 антифрикционного материала образуют компенсационный слой многослойной туннельной обделки. Первичная обделка 1 выполнена из прессбетона при помощи передвижной опалубки. Возможно выполнение первичной обделки 1 из армированного набрызгбетона или в виде сборной конструкции, состоящей из отдельных блочных элементов. Вторичная обделка 3 железобетонная монолитная. Эластичные оболочки 4 и 5 изготовлены из бризола. Возможно применение изола, отходов производства резинотехнических изделий, сформированных в листовой материал. Могут быть использованы из резиновой крошки, полученной в результате переработки изношенных шин транспортных средств. Суммарную толщину оболочек 4,5 выбирают по крайней мере в три раза большей чем ожидаемая максимальная величина прогиба первичной обделки 1 от внешних нагр узок и воздействий. Это объясняется тем, что для эффективной компенсации радиальных деформаций грунтового массива должно соблюдаться следующие соотношения: E d = fmax q , E ³3 q где d - суммарная толщина оболочек 4,5; Е – модуль деформации материала оболочек 4,5; q – устанавливаемая удельная нагрузка на вторичную обделку 3 fmax - максимальная величина прогиба первичной обделки 1 в радиальном направлении. В качестве антифрикционного материала использован графитовый порошок. Возможно применение доломитной пудры или любых консистентных смазок. Туннельная обделка сооружается в два этапа. После прохождения выработки в грунтовом массиве 2 устанавливают передвижную крепь и бетонируют первичную обделку 1, выполняющую роль первичной крепи. При выполнении первичной обделки 1 сборной её монтируют из отдельных блочных элементов с последующим тампонированием заобделочного пространства цементным тампонажным раствором. Элементы компенсационного слоя готовят отдельно из двух листов 4 и 5, изготовленных из бризола, изола или другого эластичного материала, между которыми размещают слой 6 графитового порошка, доломитной пудры или консистентной смазки, получая таким образом заготовку компенсационного слоя соответствующи х размеров. Листы 4 и 5 временно скрепляют, например скобами, и устанавливают на внутреннюю поверхность первичной обделки, закрепляя их при помощи вспомогательных распорных колец (не показаны). На втором этапе устанавливают арматуру вторичной обделки 3, после чего удаляют вспомогательные распорные кольца. Компенсационный слой из оболочек 4 и 5 со слоем 6 антифрикционного материала удерживается при этом элементами арматуры вторичной обделки. После выполняют бетонирование вторичной обделки 3 путем установки опалубки и нагнетания бетонной смеси в зоопалубочное пространство. Таким образом получают монолитную железобетонную вторичную обделку 3. Описанная конструкция туннельной обделки эффективно компенсирует воздействие на вторичную обделку 3 осевых деформаций грунтового массива 2, так как образование шва скольжения в упругом компенсационном слое позволяет ограничить осевые нагрузки на вторичную обделку 3 в пределах сил трения в шве скольжения, которые достаточно малы в сравнении с прочностью вторичной обделки 3, а также компенсирует радиальные деформации грунтового массива 2 благодаря заданным упругим свойствам компенсационного слоя.