Результат интеллектуальной деятельности: Способ крепления лба забоя тоннеля

Изобретение относится к опережающему анкерному креплению горных выработок из призабойного пространства и может быть использовано при строительстве станций метрополитена глубокого заложения в слабоустойчивых грунтах, а также в горнодобывающей промышленности и тоннелестроении.

Известен способ сооружения тоннелей, содержащий операцию разработки грунта комбайном или буровзрывным методом, операцию сооружения крепи (установку анкеров, арок и сеток, укладку бетона или набрызгбетонирование (торкретбетонирование)), операцию транспортировки разработанного грунта и материалов крепления (Справочник инженера-тоннельщика, М.: Изд. «Транспорт», 1992. - С.157, 159, 188, 193, 350).

Недостаток данного способа заключается в отсутствии или больших неточностях инженерно-геологических прогнозов. Неожиданная встреча проходкой тектонического разлома (зоны резкого снижения прочности грунта) чревата возможностью аварий.

При проходке тоннелей большого сечения в слабоустойчивых грунтах, актуальна задача выбора эффективной крепи лба забоя. Проявления горного давления в забое тоннелей можно представить тремя типичными случаями деформаций: а) локальные вывалы изо лба забоя в результате раздавливания грунта сжимающими напряжениями; б) отслоение или сползание крупных блоков породы в результате смещения, сдвига; в) продавливание потолочины слабоустойчивых грунтов в забой под действием веса верхних слоев грунта (Трушко В.Л., Шоков А.Н. Геомеханическое обоснование устойчивости лба забоя выработок большого сечения в протерозойских глинах // Записки Горного института. Т. 195, Санкт-Петербург. 2012. - С. 146-148). В связи с этим, представляется интерес конструкций временной крепи лба забоя.

Известен способ опережающего крепления грунта с использованием самонарезающих стержней и стержней из стеклопластика (Патент Японии JP 3851590, опубл. от 2007 г.). С помощью пустотелой конструкции, имеющей на конце расширяющийся хвостовик, и самонарезающих стержней формируют предварительные скважины. Затем посредством муфт привода подсоединяют трубчатый стеклопластиковый анкер. Анкер вставляют во внутреннее отверстие длинной забивной штанги, закрепленной на бурильном станке, с последующим заполнением шпура фиксирующим материалом. Основным недостатком данного способа является противоречие между оптимальным расположением анкера (перпендикулярно стенке выработки) и невозможностью достичь этого при прямолинейном бурении.

Известен способ крепления лба забоя, заключающийся в опережающим крепление с использованием фиберглассовых анкеров, размещаемых в скважинах, пробуренных в разрабатываемом грунте (Маслак В.А. Опыт обеспечения устойчивости забоя и кровли при строительстве выработок в протерозойских глинах // Записки Горного института. Т. 183, Санкт-Петербург. 2009. - С. 297-299). Однако, эффективность и устойчивость лба забоя зависит от достаточно большого количества конструктивно-технологических параметров крепления выработки и горно-геологических характеристик грунта.

Известен способ закрепления анкеров, включающий ввод штанги анкера в скважину и подачу в нее по гибким шлангам закрепляющего раствора под высоким давлением (В.Н. Семевский, В.М. Волжский, О.В. Чумофеев, А.П. Широков, Г.И. Кравченко, Б.К. Чукан, С.И. Этингов. Штанговая крепь. М. Недра, 1965, с. 51, рис. 56).

Недостатком способа является отсутствие операции по выводу воздуха из скважины в момент нагнетания закрепляющего раствора. В связи, с чем необходимо дополнительное время для его удаления через трещины в массиве. Это обстоятельство исключает использование быстротвердеющих составов со сроком схватывания 20-25 с. Кроме того, нагнетание закрепляющего раствора в скважину с установленным в ней анкером предопределяет использование скважин с диаметром, значительно большим, чем диаметр штанги анкера. В противном случае при малых кольцевых зазорах подать вязкие растворы становится весьма затруднительно.

Известен способ установки анкера в скважину, заключающийся в удалении воздуха из скважины путем заполнения ее закрепляющим раствором через инъектор в объеме, равном разности объема скважины и объема анкера, вводимого в скважину, после чего удаляют инъектор и вводят через клапан герметизатора часть анкера, который перемещают совместно с герметизатором вдоль скважины до упора (Заявка РФ №94039804, опубл. от 10.08.1996 г.).

Способ опережающего крепления горных выработок с помощью анкеров, включающий бурение опережающих скважин и установку в них анкеров, например из стеклопластика, с последующим заполнением скважин фиксирующим раствором, при котором за контуром предполагаемого забоя и за зоной опорного горного давления из призабойного пространства осуществляют бурение шпура криволинейно к продольной оси будущей выработки с выходом криволинейного шпура в ту же выработку, в забой или призабойное пространство с другой или с той же стороны, размещают в шпуре гибкий анкер и закрепляют его с обоих концов с возможностью натяжения анкера в шпуре (Патент РФ №2556749, опубл. от 20.07.2015, Бюл. №20). Однако, данный способ крепления горных выработок является для крепления лба забоя технически сложно реализуемым и дорогостоящим вследствие криволинейности скважины и малой площади крепления зоны предполагаемого забоя.

Способ строительства станционных тоннелей с малыми осадками земной поверхности, включающий сооружение опережающей крепи вдоль продольной оси тоннеля с установкой в скважинах инъекционных фиберглассовых (стекловолоконных) анкеров в лбе забоя и последующим послойным срезанием их по мере продвижения забоя, что обеспечивает постоянную жесткую связь породы забоя с массивом и не позволяет смещаться грунтовому массиву впереди тоннеля и над тоннелем в выработанное пространство (Патент РФ №2485318, опубл. от 20.06.2013, Бюл. №17).

Применение фиберглассовых анкеров вместо металлического арматурного стержня дает ряд неоспоримых преимуществ:

- значительно упрощается процесс разработки грунта, т.к. выработка не загромождается обнажающимися и выступающими из забоя арматурными стержнями, что ведет к высокой технологичности и безопасности проведения работ.

- отпадает необходимость в срезке металлической арматуры с применением газовой резки или специального электроинструмента, и, как следствие, необходимость использования газа в закрытом пространстве, либо, что значительно повышает безопасность ведения работ.

- появляется возможность вести проходческие работы с раскрытием выработки на полное сечение. При раскрытии выработки на полное сечение становится возможным возводить временную крепь в полном объеме непосредственно после выемки грунта. Это приводит к тому, что конструкция временной крепи быстрее вступает во взаимодействие с прилегающим массивом и воспринимает на себя горное давление, что, в свою очередь, снижает деформации дневной поверхности.

Однако в данном способе не определен способ выбора месторасположения и оптимального количества необходимых скважин для инъекционных анкеров, их длин и выбора месторасположения, а также их крепления в скважинах и параметры перехлеста скважин, что может привести к неоправданному увеличению объема работ по бурению скважин и времени проходки тоннеля или снижению надежности опережающего крепления горных выработок с помощью анкеров, вследствие недостаточного их количества или длины.

Технический результат, который может быть получен при применении данного изобретения, заключается в предотвращении развития деформаций пород в призабойной зоне тоннеля, уменьшение объема работ по бурению скважин для установки анкеров и времени проходки тоннеля, а также повышение надежности опережающего анкерного крепления лба забоя и безопасности работ в забое при строительстве станций метрополитена глубокого заложения закрытым способом работ.

Для достижения данного технического результата в предлагаемом способе крепления лба забоя тоннеля, включающем сооружение опережающей крепи вдоль продольной оси тоннеля с установкой в скважинах инъекционных фиберглассовых анкеров во лбу забоя и последующим послойным срезанием их по мере продвижения забоя, согласно изобретению, на первом этапе производят сухое бурение горизонтальных скважин параллельно оси тоннеля, распределенных в зависимости от характеристик грунта по плоскости забоя в пределах 0.5-0.8 анкеров на 1 м² сечения тоннеля, длину анкеров принимают максимально возможной в зависимости от технических характеристик бурового оборудования, но равной не менее двух диаметров тоннеля, на втором этапе, когда вся плоскость лба забоя обурена, производят установку фиберглассовых анкеров и их цементирование в скважинах, затем после армирования лба забоя тоннеля, осуществляют разработку грунта с помощью механических средств, при этом скалывают фиберглассовые анкеры и снимают грунт на глубину заходки, с обеспечением сохранности концов зацементированных в грунте анкеров длиной не менее 0.6-0.8 диаметра тоннеля, на третьем этапе производят крепление лба забоя, а также прилегающего свода и стен призабойного пространства слоем торкретбетона с последующим возведением (бетонированием) постоянной обделки свода и стен тоннеля в призабойном пространстве, четвертым этапом производят, через слой торкретбетона лба забоя тоннеля, новое бурение горизонтальных скважин параллельно оси тоннеля, при этом обеспечивают смещение новых скважин относительно пробуренных ранее скважин, на расстояние не менее трех диаметров скважины, и перехлест новых скважин с ранее пробуренными, с минимальной длиной перехлеста скважин равной 0.6 диаметра тоннеля, в новых скважинах устанавливают фиберглассовые анкеры и цементируют их.

Введение в предлагаемый способ крепления лба забоя тоннеля последовательного выполнения нескольких этапов, характеризующихся тем, что на первом этапе производят бурение горизонтальных скважин параллельно оси тоннеля с плотностью 0.5-0.8 анкеров на 1 м² сечения тоннеля и длиной анкеров не менее двух диаметров тоннеля, на втором этапе производят установку фиберглассовых анкеров и их цементирование в скважинах, с последующей разработкой грунта с помощью механических средств путем скалывания фиберглассовых анкеров и снятия на глубину заходки, с обеспечением сохранности концов зацементированных в грунте анкеров длиной не менее 0.6-0.8 диаметра тоннеля, на третьем этапе производят крепление лба забоя, а также прилегающего свода и стен призабойного пространства слоем торкретбетона с последующим бетонированием постоянной обделки свода и стен тоннеля в призабойном пространстве, четвертым этапом производят новое бурение горизонтальных скважин параллельно оси тоннеля с обеспечением смещения новых скважин относительно пробуренных ранее скважин, на расстояние не менее трех диаметров скважины, и перехлестом новых скважин с ранее пробуренными, с минимальной длиной перехлеста скважин равной 0.6 диаметра тоннеля, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности в предотвращения развития деформаций пород в призабойной зоне тоннеля и уменьшения объема работ по бурению скважин для установки анкеров и времени проходки тоннеля за счет определения оптимального количества скважин, а также повышения надежности опережающего анкерного крепления лба забоя и безопасности работ в забое при строительстве станций метрополитена глубокого заложения закрытым способом работ за счет определения минимальных значений длин анкеров, плотности распределения анкеров по сечению плоскости забоя и параметров перехлеста анкеров, при этом данные минимальные значения параметры анкеров и плотности их распределения по сечению плоскости забоя обеспечивают постоянную жесткую связь породы забоя с окружающим массивом и не позволяют смещаться грунтовому массиву впереди тоннеля и над тоннелем в выработанное пространство.

Предлагаемый способ крепления лба забоя тоннеля поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид конструкции забоя тоннеля при строительстве станций метрополитена глубокого заложения закрытым способом работ в продольном разрезе, на фиг. 2 - чертеж поперечного разреза фрагмента тоннеля с опережающим анкерным креплением лба забоя, на фиг. 3 - чертеж поперечного разреза фрагмента тоннеля с перехлестом анкеров.

Согласно заявляемому способу из призабойного пространства 1 тоннеля 2 производят бурение горизонтальных скважин 3, параллельно оси тоннеля 2, через слой торкретбетона 4 лба забоя тоннеля 2. Затем производят установку фиберглассовых анкеров 5 и их цементирование в скважинах 3. После армирования лба забоя тоннеля 2, осуществляют разработку грунта с помощью механических средств (на рис. не показан), при этом скалывают фиберглассовые анкеры 5 и снимают грунт на глубину заходки 6, обеспечивающей сохранность зацементированных анкеров 5 с длиной не менее 0.6-0.8 диаметра тоннеля 2. Затем производят крепление лба выработанного забоя слоем торкретбетона 7, а также прилегающего свода и стен призабойного пространства 1 с последующим возведением (бетонированием) постоянной обделки свода и стен тоннеля 2 в призабойном пространстве 1. Через слой торкретбетона 7 лба забоя тоннеля 2 производят бурение новых горизонтальных скважин 8 параллельно оси тоннеля 2, при этом обеспечивают смещение новых скважин 8 относительно пробуренных ранее скважин 3, на расстояние не менее трех диаметров скважины. В результате бурения новых скважин 8 образуется зона перехлеста 9 ранее пробуренных скважин 3 и новых скважин 8, с минимальной длиной зоны перехлеста 9 скважин равной 0.6 диаметра тоннеля. В новых скважинах 8 устанавливают фиберглассовые анкеры 10 и цементируют их.

Источники информации

1. Справочник инженера-тоннельщика, М.: Изд. «Транспорт», 1992. - С. 157, 159, 188, 193,350.

2. Трушко В.Л., Шоков А.Н. Геомеханическое обоснование устойчивости лба забоя выработок большого сечения в протерозойских глинах // Записки Горного института. Т. 195, Санкт-Петербург. 2012. - С. 146-148.

3. Патент Японии JP 3851590, опубл. от 2007 г.

4. Маслак В.А. Опыт обеспечения устойчивости забоя и кровли при строительстве выработок в протерозойских глинах // Записки Горного института. Т. 183, Санкт-Петербург.2009. - С. 297-299.

5. В.Н. Семевский, В.М. Волжский, О.В. Чумофеев, А.П. Широков, Г.И. Кравченко, Б.К. Чукан, С.И. Этингов. Штанговая крепь. М. Недра, 1965, с. 51, рис. 56.

6. Заявка РФ №94039804, опубл. от 10.08.1996 г.

7. Патент РФ №2556749, опубл. от 20.07.2015, Бюл. №20.

8. Патент РФ №2485318, опубл. от 20.06.2013, Бюл. №17 - прототип.