Проектирование тоннелей и сооружений горным способом: комплексный анализ принципов, методологий и практических решений для курсовой работы

В мире, где темпы урбанизации и развития транспортных систем непрерывно растут, подземное пространство становится не просто альтернативой, а стратегически важным ресурсом. Тоннели, эти искусственные подземные пути, пронзающие горные массивы, реки и городские застройки, являются ключевыми элементами современной инфраструктуры. Они позволяют сокращать расстояния, обходить естественные препятствия, разгружать наземные транспортные артерии и обеспечивать безопасное перемещение людей и грузов. Особое место в этом инженерном искусстве занимает проектирование и строительство тоннелей горным способом, который, зародившись в глубокой древности, постоянно эволюционирует, адаптируясь к сложнейшим геологическим условиям и вызовам современности.

Актуальность темы курсовой работы обусловлена не только возрастающей потребностью в подземных сооружениях, но и необходимостью подготовки высококвалифицированных инженеров, способных решать комплексные задачи проектирования, учитывая при этом уникальное взаимодействие сооружения с грунтовым массивом, особенности выбранных технологий проходки, строгие нормативные требования и постоянно растущие стандарты безопасности и экологичности.

Целью данной курсовой работы является всестороннее исследование принципов, методологий и практических аспектов проектирования тоннелей и сооружений, возводимых горным способом. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• Изучить теоретические основы тоннелестроения, включая классификацию тоннелей и исторический контекст развития горных способов.
• Детально рассмотреть влияние инженерно-геологических и гидрогеологических условий на выбор проектных решений и методы изысканий.
• Проанализировать современные методы и технологии проходки тоннелей горным способом, включая классические и инновационные подходы.
• Изучить специальные методы проходки, применяемые в сложных гидрогеологических условиях.
• Осветить особенности расчета и конструирования обделок тоннелей с учетом нормативной базы и современных материалов.
• Рассмотреть меры по обеспечению устойчивости массива горных пород и промышленной безопасности работ.

Структура работы построена таким образом, чтобы последовательно раскрыть все ключевые аспекты проектирования, от фундаментальных понятий до сложных инженерных решений, обеспечивая системное понимание предмета. Значение данной работы для будущих инженеров-строителей заключается в формировании глубоких теоретических знаний и практических навыков, необходимых для успешной деятельности в такой наукоемкой и ответственной отрасли, как тоннелестроение.

Теоретические основы тоннелестроения и сооружений, возводимых горным способом

Погружение в мир подземного строительства начинается с четкого определения его ключевых элементов и понимания эволюции методов, сформировавших современное тоннелестроение. Горный способ, несмотря на свою древность, остается одним из фундаментальных подходов к созданию подземных коммуникаций, постоянно адаптируясь к новым вызовам и технологиям, что подтверждает его непреходящую значимость в современной инженерной практике.

Определение и классификация тоннелей

В основе любого инженерного проекта лежит точная терминология. Тоннель – это искусственное подземное сооружение, пролегающее в горизонтальном или наклонном направлении, чья длина значительно превышает поперечные размеры. Несмотря на кажущуюся простоту определения, существуют нюансы, зависящие от национальных стандартов и назначения объекта. Например, в Великобритании тоннелем считается подземное сооружение длиной 150 метров и более, в то время как Национальная ассоциация противопожарной защиты США определяет его как объект длиной более 23 метров и диаметром свыше 1800 мм. Эти различия подчеркивают функциональную ориентацию каждого определения.

Горный способ – это метод сооружения тоннелей и других подземных выработок, при котором разработка породы производится непосредственно в массиве, без предварительного вскрытия поверхности земли, с последующим устройством временной крепи и/или постоянной обделки. Этот способ контрастирует с открытыми методами, где строительство ведется в котлованах или траншеях.

Ключевыми конструктивными элементами тоннеля являются:

• Обделка – это постоянная несущая конструкция тоннеля, воспринимающая горное давление, гидростатическое давление, а также эксплуатационные нагрузки, и обеспечивающая заданную форму, водонепроницаемость и долговечность сооружения. Обделка может быть монолитной, сборной или комбинированной.
• Крепь – это временная или постоянная конструкция, устанавливаемая в горной выработке для поддержания устойчивости массива пород и обеспечения безопасности работ до возведения постоянной обделки. Крепь может быть рамной, анкерной, набрызгбетонной и т.д.
• Проходка – это совокупность технологических операций по разработке грунта или породы в массиве, транспортировке ее на поверхность, устройству временной крепи и, при необходимости, возведению постоянной обделки.

Классификация тоннелей многогранна и определяется рядом факторов:

1. По назначению:
   • Транспортные: Железнодорожные, автодорожные, метрополитены, пешеходные.
   • Гидротехнические: Деривационные, водопроводные, канализационные.
   • Коммунальные: Для прокладки инженерных сетей (кабельные, коллекторные).
   • Специальные: Для оборонных нужд, хранения, научных исследований.
2. По форме поперечного сечения:
   • Круговые, подковообразные, эллиптические, прямоугольные, трапециевидные. Форма выбирается исходя из геологических условий, назначения и экономичности.
3. По глубине заложения:
   • Мелкого заложения: До 20-25 метров, когда возможны незначительные деформации поверхности.
   • Глубокого заложения: От 25 метров и более, где влияние строительства на поверхность минимально.
4. По способу сооружения:
   • Открытые способы: Применяются при малой глубине заложения (до 20-25 м) и включают возведение конструкций в котлованах или траншеях с последующей засыпкой. Это так называемые «зарытые» тоннели.
   • Закрытые способы: Применяются при большей глубине заложения (от 25 м) без вскрытия поверхности земли. К ним относятся:
     • Горный способ: Характеризуется разработкой породы в массиве с использованием ручных инструментов, буровзрывных работ или проходческих комбайнов под защитой временной крепи.
     • Щитовой способ: Применяется с использованием тоннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК), или щитов, которые механизируют разработку грунта, крепление забоя и монтаж сборной обделки.
     • Эректорный способ: Гибридный метод, сочетающий элементы горного и щитового способов, часто используется для монтажа сборных обделок в условиях ограниченного пространства.
   • Специальные способы: Применяются в особо сложных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях (например, искусственное замораживание, кессонные работы, инъекционные методы).

Таким образом, горный способ является частью более широкой категории закрытых методов, при этом его разновидности и модификации позволяют решать задачи строительства тоннелей в самых разнообразных и зачастую экстремальных условиях.

Эволюция горных способов сооружения тоннелей

История тоннелестроения – это захватывающая хроника инженерной мысли, стремления человечества преодолевать естественные преграды и осваивать подземное пространство. Горный способ, в своей основе, является одним из древнейших методов подземных работ, но его развитие претерпело кардинальные изменения.

Первые тоннели, созданные еще в античности и Средневековье, прокладывались преимущественно для водоснабжения, дренажа или добычи полезных ископаемых, и работы велись почти исключительно вручную, с использованием примитивных инструментов. Однако настоящий прорыв в тоннелестроении, и особенно в развитии горных способов, произошел во второй половине XIX века. Именно тогда, с появлением и бурным развитием железных дорог, возникла острая потребность в строительстве протяженных тоннелей для преодоления горных хребтов и сокращения путей сообщения.

Пионерами в этой области стали европейские страны. Например, первые железнодорожные тоннели в Англии появились уже в 1826-1830 годах. В России к началу XX века значительные тоннельные работы проводились при строительстве Транссибирской магистрали, где тоннели позволяли прокладывать пути через сложные горные ландшафты. В тот период активно применялся буровзрывной способ, который значительно увеличил скорость проходки по сравнению с ручным трудом. Развитие технологий бурения, появление динамита (Альфред Нобель, 1867 год), а затем и других взрывчатых веществ, позволило эффективно разрушать крепкие скальные породы.

Однако буровзрывной метод имел свои недостатки: высокий уровень шума и вибрации, необходимость отвода взрывных газов, а также потенциальное нарушение целостности массива за пределами проектного контура из-за взрывных волн. Это привело к поиску более щадящих и эффективных методов.

В XX веке горный способ продолжил эволюционировать. Появились и широко распространились проходческие комбайны, которые позволили механизировать процесс разработки грунта в породах средней крепости, снизив трудозатраты и повысив безопасность.

Кульминацией развития стало появление Новоавстрийского метода проходки (НАТМ), или метода проходки с устройством податливого свода, в 1960-х годах. Этот метод стал революционным, отказавшись от жесткой временной крепи в пользу использования несущей способности самого горного массива. НАТМ, с его концепцией «дышащего» свода, набрызгбетона и анкеров, радикально изменил подходы к проектированию и строительству тоннелей в сложных геологических условиях, сделав акцент на мониторинге и адаптации к поведению массива. Этот подход оказался настолько эффективным, что его активно применяют и сегодня, позволяя возводить сложнейшие подземные объекты с беспрецедентной точностью и безопасностью.

Таким образом, горный способ прошел путь от примитивных ручных работ до высокотехнологичных систем, интегрирующих геомеханику, автоматизацию и прецизионный мониторинг. Его модификации и сегодня являются основой для возведения сложных подземных сооружений, подтверждая значимость этого метода в истории и современности тоннелестроения.

Инженерно-геологические и гидрогеологические изыскания как основа проектирования

Проектирование тоннелей – это, по своей сути, диалог с землей. Чтобы этот диалог был продуктивным и безопасным, необходимо глубоко понимать характер и «настроение» горного массива. Именно инженерно-геологические и гидрогеологические изыскания служат фундаментом, на котором строится вся концепция тоннеля, от выбора трассы до мельчайших деталей конструктивных решений.

Влияние грунтового массива на проектные решения

Тоннельное сооружение не является изолированной конструкцией; оно неразрывно связано с окружающим его грунтовым массивом. Это взаимодействие – ключевая особенность, отличающая подземное строительство от наземного. Свойства грунта или скальной породы – их прочность, деформируемость, водопроницаемость, наличие трещин, неоднородность – оказывают прямое и часто решающее влияние на весь проект.

Влияние инженерно-геологических условий проявляется в следующем:

• Выбор трассы тоннеля: Оптимальная трасса позволяет минимизировать риски, связанные с неустойчивыми грунтами, зонами тектонических нарушений, обводненными участками или областями активных геологических процессов (оползни, карсты).
• Выбор глубины заложения: Глубина влияет на уровень горного давления, необходимость применения специальных методов проходки и потенциальное воздействие на поверхностные сооружения.
• Выбор конструкций обделки: В крепких, устойчивых скальных породах может быть достаточно тонкой обделки или даже анкерного крепления. В слабых, деформируемых грунтах потребуется массивная, жесткая или, наоборот, податливая обделка, способная воспринимать значительные нагрузки.
• Выбор способа производства работ: От стабильности грунта зависит, будет ли применяться ручной способ, буровзрывной, проходческий комбайн, или же потребуются специальные методы, такие как замораживание или кессонные работы.
• Оценка рисков и безопасности: Недостаточное понимание геологии может привести к обрушениям, затоплениям, неконтролируемым деформациям, что несет угрозу для персонала и значительные экономические потери.
• Прогнозирование поведения сооружения: Знание свойств массива позволяет прогнозировать его реакцию на проходку, оценивать осадку поверхности, деформации тоннеля и разрабатывать адекватные меры контроля и компенсации.

Таким образом, грунтовый массив выступает не просто как среда, в которой прокладывается тоннель, а как активный участник взаимодействия, диктующий инженерные решения и определяющий успешность всего проекта. Игнорирование этого взаимодействия чревато не только экономическими потерями, но и катастрофическими последствиями для безопасности.

Нормативная база и методы инженерно-геологических изысканий

Для обеспечения надежности и безопасности тоннельных сооружений, инженерно-геологические изыскания должны выполняться строго в соответствии с действующими нормативными документами. В Российской Федерации это, в первую очередь, следующие своды правил:

• СП 47.13330 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения»: Общий документ, регламентирующий порядок проведения всех видов инженерных изысканий.
• СП 22.13330 «Основания зданий и сооружений»: Устанавливает требования к определению характеристик грунтов для проектирования фундаментов и оснований.
• СП 446.1325800 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Общие правила производства работ»: Более детально регулирует методику проведения полевых и лабораторных исследований.
• СП 122.13330.2023 «Тоннели железнодорожные и автодорожные» (актуализированная редакция СНиП 32-04-97): Специализированный документ, содержащий требования к изысканиям именно для тоннелей, включая специфику сбора данных для подземных сооружений.

Комплекс инженерно-геологических изысканий направлен на всестороннее изучение условий территории строительства и составление прогноза возможных изменений геологической среды под влиянием проектируемых объектов. Этот комплекс включает в себя несколько ключевых этапов:

1. Рекогносцировка местности: Визуальный осмотр трассы тоннеля, изучение геоморфологических особенностей, поверхностных водотоков, следов геологических процессов (оползни, карсты), существующих сооружений и коммуникаций. Позволяет получить общее представление о площадке и уточнить план дальнейших работ.
2. Изучение архивных данных: Анализ ранее выполненных изысканий в районе строительства, топографических карт, аэрофотоснимков, космических снимков. Это позволяет сэкономить время и ресурсы, а также выявить региональные геологические особенности.
3. Крупномасштабная инженерно-геологическая съемка: Детальное картирование геологических условий, выявление границ распространения различных типов грунтов, зон тектонических нарушений, водоносных горизонтов. Используются как наземные методы, так и дистанционные (аэрофото- и космические методы) для оценки крупных площадей.
4. Геолого-техническая разведка: Основной объем полевых работ, включающий:
   • Разведочное бурение: Бурение скважин для отбора образцов грунтов и воды, проведения геофизических исследований в скважинах.
   • Проходка разведочных выработок: Шурфов, штолен, шахтных стволов, пилот-тоннелей для непосредственного изучения массива.
   • Полевые испытания грунтов: Статическое и динамическое зондирование, штамповые испытания, испытания прессиометром для определения деформационных и прочностных характеристик грунтов в естественном залегании.
5. Лабораторные исследования: Отбор и анализ образцов грунтов и подземных вод для определения их физико-механических свойств (плотность, влажность, пористость, гранулометрический состав, пределы прочности на сжатие и сдвиг, модули деформации) и физико-химических свойств подземных вод (агрессивность к бетону и металлам).

Результаты изысканий должны быть представлены в виде отчета, содержащего геологические разрезы, карты, таблицы характеристик грунтов, а также прогноз возможных изменений геологической среды в зоне влияния тоннеля.

Детализация методов полевых и лабораторных исследований

Полевые и лабораторные исследования являются краеугольным камнем инженерно-геологических изысканий, предоставляя инженерам точные данные о геологическом строении и свойствах грунтов.

Разведочное бурение – основной метод изучения массива в глубине.

• Вертикальные скважины: Бурятся по трассе тоннеля с интервалом 150-200 м в простых условиях, 100-120 м в условиях средней сложности и 75-100 м в сложных условиях, при длине тоннеля более 300 м. Диаметр скважин обычно составляет 75–300 мм, что позволяет отбирать ненарушенные образцы грунтов и проводить геофизические исследования.
• Горизонтальные скважины: Бурятся со стороны порталов тоннеля, из шахтных стволов или вспомогательных выработок на глубину до 300-500 м. Они дают информацию о геологическом строении непосредственно по оси будущей выработки.

Проходка разведочных выработок: В случаях, когда требуется наиболее полное и достоверное изучение массива, бурение дополняется проходкой:

• Шурфов: Вертикальные выработки небольшого диаметра, позволяющие непосредственно осмотреть грунт, отобрать монолиты и провести статические испытания.
• Штолен: Горизонтальные выработки, проходящие вдоль оси будущего тоннеля или перпендикулярно ему, дающие возможность изучить массив на значительной протяженности.
• Шахтных стволов: Вертикальные выработки большого диаметра, используемые для доступа к глубокозалегающим горизонтам и как исходные точки для проходки штолен или пилот-тоннелей.
• Пилот-тоннелей: Небольшие по диаметру тоннели, прокладываемые по трассе основного тоннеля. Они служат для детального изучения геологических условий, оценки водопритоков, отработки технологии проходки и мониторинга поведения массива до начала основных работ.

Особое внимание уделяется исследованиям специфических грунтов, которые требуют дополнительных исследований и особого подхода к проектированию:

• Просадочные грунты: (например, лёссовые) резко теряют прочность и дают большие деформации при замачивании. Требуют мероприятий по предотвращению замачивания или укреплению.
• Набухающие грунты: (высокопластичные глины) увеличиваются в объеме при увлажнении, создавая значительное давление на обделку.
• Органоминеральные и органические грунты: (торфы, илы) обладают низкой прочностью, высокой сжимаемостью и изменяют свои свойства со временем.
• Засоленные грунты: Могут быть агрессивны к бетону и вызывать коррозию арматуры.
• Элювиальные грунты: Образуются на месте выветривания коренных пород, обладают неоднородностью свойств.
• Техногенные грунты: Насыпные грунты, отходы производства, которые могут быть крайне неоднородными и непредсказуемыми в поведении.
• Многолетнемерзлые грунты: Распространены в северных регионах. Их свойства зависят от температуры, наличия льда, и они требуют особого подхода к проектированию, чтобы избежать протаивания и связанных с ним деформаций.

Инженерно-геологические изыскания также должны предоставлять информацию о глубине местоположения и заложения фундаментов соседних зданий и подземных сооружений, что важно для оценки влияния строительства тоннеля на существующую застройку.

Определение и классификация разрабатываемости грунтов

Эффективность проходки тоннеля напрямую зависит от того, насколько легко грунт или порода поддаются разрушению. Это свойство называется разрабатываемостью грунта, и оно характеризует степень сопротивления массива разрушающему действию механизмов или энергии взрыва. Понимание разрабатываемости критически важно для выбора оптимального способа разработки, типа проходческого оборудования, определения норм времени и, соответственно, экономических показателей проекта.

В инженерной практике грунты классифицируются по их разрабатываемости и крепости. Одним из наиболее известных и широко используемых подходов является шкала профессора М.М. Протодьяконова, которая появилась в начале XX века и до сих пор остается актуальной. Эта шкала основывается на трудоемкости разрушения пород и измеряется безразмерным коэффициентом крепости (f).

Шкала Протодьяконова:

Коэффициент крепости (f)	Группа разрабатываемости	Примеры пород	Способы разработки
0.3–0.6	I	Суглинки, лёгкие глины, лёссы	Ручной способ (лопата, кирка)
0.6–1.0	II	Глины плотные, супеси	Ручной способ, экскаваторы малой мощности
1.0–1.5	III	Сланцы мягкие, песчаники рыхлые	Ручные механизированные инструменты, легкие комбайны
1.5–2.0	IV	Глины твёрдые, песчаники средние	Проходческие комбайны, буровзрывные работы (БВР)
2.0–3.0	V	Сланцы крепкие, известняки плотные	Проходческие комбайны, БВР
3.0–5.0	VI	Граниты выветрелые, плотные песчаники	БВР (повышенной интенсивности)
5.0–10.0	VII–IX	Плотный гранит, крепкие песчаники, базальты	Только БВР
10.0–15.0	X–XI	Кварцевый порфир, очень крепкий гранит, кремнистый сланец	Только БВР (с большим расходом ВВ)

Ориентировочно коэффициент крепости (f) может быть рассчитан по формуле:

f = 0,1 ⋅ σсж

где σсж – предел прочности породы на одноосное сжатие в МПа.

Примеры из шкалы Протодьяконова:

• Очень крепкие породы: Кварцевый порфир, очень крепкий гранит, кремнистый сланец имеют f = 15. Для их разрушения требуется максимальное усилие.
• Крепкие породы: Плотный гранит, крепкие песчаники – f = 10.
• Средние породы: Крепкий глинистый сланец, мягкий конгломерат – f = 4.
• Мягкие породы: Плотная глина – f = 1.

Классификация по разрабатываемости позволяет инженерам:

• Выбрать оптимальное проходческое оборудование: От ручных инструментов и экскаваторов до мощных проходческих комбайнов и буровзрывных комплексов.
• Спрогнозировать производительность работ: Чем выше коэффициент крепости, тем ниже скорость проходки и выше энергозатраты.
• Оценить экономическую эффективность: Выбор правильного метода проходки напрямую влияет на себестоимость строительства.

Таким образом, тщательное определение разрабатываемости грунтов в ходе инженерно-геологических изысканий является фундаментальным этапом, который определяет технологическую стратегию строительства тоннеля и оказывает существенное влияние на весь проект.

Современные методы и технологии проходки тоннелей горным способом

Горные способы сооружения тоннелей – это не просто набор технологий, а целая философия взаимодействия человека с недрами Земли. Зародившись в XIX веке под влиянием железнодорожной революции, эти методы постоянно совершенствовались, адаптируясь к новым вызовам, материалам и требованиям к безопасности. Современное тоннелестроение горным способом – это высокотехнологичный процесс, объединяющий классические подходы с инновационными решениями.

Классические горные способы проходки

При горных способах проходки разработка породы осуществляется в различных инженерно-геологических условиях под защитой временной крепи с использованием разнообразных инструментов и механизмов. По степени механизации эти методы традиционно делятся на три основные категории, каждая из которых имеет свои уникальные особенности и области применения.

1. Ручной способ:
   • Применимость: Используется преимущественно в слабых, легкоразрабатываемых породах (глины, суглинки, рыхлые пески) с низким коэффициентом крепости (f < 1.0). Также может применяться в условиях ограниченного пространства или при необходимости ювелирной работы вблизи существующих коммуникаций.
   • Преимущества: Простота, низкие капитальные затраты на оборудование, возможность работы в стесненных условиях.
   • Недостатки: Низкая производительность, высокая трудоемкость, ограниченная глубина заложения и протяженность тоннеля.
2. Проходка с помощью проходческих комбайнов:
   • Применимость: Эффективна в породах средней крепости (f от 1.0 до 4.0-5.0), таких как мягкие сланцы, песчаники средней прочности, известняки, плотные глины.
   • Принцип действия: Комбайн, оснащенный исполнительным органом (баровая цепь, фрезерная головка), механически разрушает породу, автоматически погружает ее на конвейер и подает к транспортным средствам.
   • Преимущества: Высокая производительность и скорость проходки по сравнению с ручным способом, снижение трудозатрат, улучшение условий труда, более точное поддержание проектного профиля, меньшее нарушение массива по сравнению с буровзрывными работами.
   • Недостатки: Высокая стоимость оборудования, неэффективность в очень крепких скальных породах (требуется предварительное ослабление) и в очень слабых, обводненных грунтах (необходимость дополнительного крепления забоя).
3. Буровзрывной способ (БВР):
   • Применимость: Является основным методом проходки в крепких скальных и полускальных породах (f > 5.0), где механическое разрушение комбайнами неэффективно или невозможно.
   • Принцип действия: В породе бурятся шпуры (скважины) в определенной последовательности и под определенным углом, в них закладываются взрывчатые вещества, которые затем детонируют. Взрыв разрушает породу, образуя заходку. После взрыва производится проветривание, уборка взорванной породы (погрузка и откатка), а затем установка временной крепи.
   • Преимущества: Высокая производительность и скорость проходки в крепких породах, возможность прохождения практически любых скальных массивов.
   • Недостатки: Взрывная волна нарушает целостность породного массива за пределами проектного контура, увеличивая переборы (объемы породы, разрабатываемой сверх проектного сечения) и общий объем разрабатываемой породы. Требует строгого соблюдения правил безопасности, интенсивной вентиляции, может вызывать вибрации и шум, влияющие на окружающую застройку.

В зависимости от устойчивости массива и глубины заложения, горным способом могут применяться различные схемы разработки забоя:

• Способ сплошного забоя: Применяется в устойчивых скальных грунтах с коэффициентом крепости более 6-7 и при высоте выработки до 10 м. Тоннель разрабатывается сразу на полное сечение. Это наиболее быстрый и экономичный способ в благоприятных условиях.
• Способ нижнего уступа (или ступенчатого забоя): Используется, когда невозможно обеспечить устойчивость вертикального забоя на всю высоту тоннеля. Забой расчленяют на две части: калотту (верхнюю, меньшую часть) и нижнюю ступень (штроссу). Сначала разрабатывается калотта, устанавливается временная крепь, затем разрабатывается нижняя ступень. Это позволяет более эффективно управлять устойчивостью.
• Способ опертого свода: Предотвращает смещение кровли путем быстрой установки временной крепи (обычно деревянных рам или металлических арок) в верхней части выработки, которая опирается на еще неразработанную породу или специальные элементы.
• Способ опорного ядра: Центральное ядро породы остается нетронутым на определенной длине, служа как естественная опора для временной крепи, поддерживающей кровлю и борта. Разработка ведется по периферии, а затем удаляется центральное ядро.

Классические горные способы, такие как опертого свода, опорного ядра или раскрытия на полное сечение по частям, являются достаточно трудоемкими из-за необходимости разработки грунта и устройства обделки по частям. Это ограничивает применение высокопроизводительной техники и увеличивает сроки строительства. Именно эти ограничения послужили толчком к развитию более совершенных, «новых» методов.

Инновационные методы проходки

Развитие тоннелестроения привело к появлению методов, которые позволяют раскрывать сечение тоннеля сразу на больший профиль с установкой временной крепи, не загромождающей сечение, и последующим возведением постоянной обделки на широком фронте. Это существенно повышает производительность и эффективность работ. К таким инновационным методам относятся:

1. Новоавстрийский метод проходки (НАТМ) – метод проходки с устройством податливого свода:
   • Исторический контекст: Разработан в Австрии в 1960-х годах и стал одной из наиболее значимых инноваций в тоннелестроении XX века.
   • Основное положение: В отличие от традиционных методов, где временная крепь воспринимает все горное давление, НАТМ исходит из принципа, что после проходки выработки порода в естественном массиве постепенно переходит из упругого состояния в состояние потери устойчивости. Цель НАТМ – активировать несущую способность самого массива, заставить его работать как часть конструкции.
   • Принципы взаимодействия крепи с массивом: Временная крепь при НАТМ (обычно набрызгбетон, анкеры и арматурная сетка) должна быть податливой. Это означает, что она допускает контролируемые деформации совместно с массивом, позволяя ему перераспределить напряжения и сформировать естественную несущую арку. Набрызгбетонная оболочка, усиленная арматурной сеткой или легкими арками, в сочетании с анкерами, закрепляющими приконтурный слой породы, создает «податливый свод». Этот свод позволяет породе частично разгрузиться и мобилизовать свою внутреннюю прочность.
   • Технология: Проходка осуществляется короткими заходками. Сразу после разработки забоя на поверхность выработки наносится слой набрызгбетона, устанавливаются анкеры и, при необходимости, легкие стальные арки. Эта первичная крепь, взаимодействуя с массивом, формирует устойчивый приконтурный слой.
   • Необходимость контрольных измерений: Ключевым элементом НАТМ является постоянный и систематический мониторинг. Необходимо вести контрольные измерения горного давления, нагрузок на крепь и деформаций крепи и массива (конвергенции). Данные мониторинга позволяют оперативно корректировать технологию, толщину набрызгбетона, длину и плотность анкеров, обеспечивая безопасность и оптимальное использование несущей способности массива.
   • Применимость: Широко используется в зарубежной практике при сооружении тоннелей в сложных, но чаще всего необводненных грунтах, а также в скальных массивах переменной устойчивости.
   • Преимущества: Высокая адаптивность к изменяющимся геологическим условиям, экономичность за счет использования несущей способности массива, возможность проходки больших сечений, гибкость в применении оборудования.
2. Метод проходки с устройством арочно-бетонной крепи:
   • Исторический контекст: Предложен советскими специалистами, является одним из новых методов, направленных на повышение эффективности горной проходки.
   • Принцип: В этом методе также используется набрызгбетон, но он сочетается с более массивными, часто сборными или монолитными арочными элементами. Арочно-бетонная крепь может служить как временной, так и частью постоянной обделки.
   • Технология: Разработка забоя также ведется заходками. После этого устанавливаются сборные или монолитные арки (металлические или железобетонные), между которыми затем наносится набрызгбетон. Это создает жесткую и прочную систему, способную быстро воспринимать значительные горные давления.
   • Применимость: Эффективен в неустойчивых, трещиноватых породах, где требуется быстрое и надежное первоначальное крепление.
   • Преимущества: Высокая несущая способность, возможность быстрого создания жесткого контура, относительная простота в монтаже.

Эти инновационные методы значительно расширили возможности тоннелестроения горным способом, позволив возводить сооружения в ранее труднодоступных и сложных геологических условиях, при этом повышая безопасность и экономичность проектов. Неужели эти подходы не способны изменить будущее подземного строительства до неузнаваемости?

Специальные методы проходки тоннелей в сложных гидрогеологических условиях

Проходка тоннелей – это всегда вызов, но этот вызов становится особенно серьезным, когда на пути встречается вода. Обводненные грунты, от насыщенных песков до плывунов, создают одну из самых сложных и опасных ситуаций в подземном строительстве. В таких условиях традиционные горные способы становятся неэффективными или вовсе невозможными, требуя применения специализированных подходов.

Проблемы обводненных грунтов и необходимость специальных методов

Наличие воды в разрабатываемых грунтах кардинально меняет их физико-механические свойства. В относительно устойчивых скальных грунтах (известняках, песчаниках, гранитах) воду обычно можно отвести от забоя по дренажным канавам или откачать насосами. При этом проходку часто стремятся вести на подъем, чтобы облегчить естественный сток воды.

Однако при насыщении водой слабых грунтов, таких как илистые, песчаные, песчано-глинистые отложения, забой становится крайне неустойчивым. Происходит вынос водоносного грунта из-под крепления забоя в выработку, что может привести к:

• Потерям устойчивости забоя: Обрушениям, оплывам, образованию пустот.
• Затоплению выработки: Прекращению работ, повреждению оборудования, угрозе для персонала.
• Неконтролируемым осадкам поверхности: Деформациям и разрушениям зданий и сооружений.
• Снижению производительности: Из-за необходимости постоянной борьбы с водой и частых остановок.
• Повышению рисков для безопасности: Угрозе жизни и здоровью рабочих.

Для преодоления этих сложностей необходимо либо стабилизировать грунт в забое, повысив его прочность и устойчивость, либо исключить попадание воды в выработку, создав водонепроницаемое ограждение. Именно для этих целей применяются спец��альные способы, которые позволяют изменить физико-механические свойства грунтов и эффективно бороться с водопритоками.

Обзор специальных методов закрепления грунтов

Специальные способы закрепления грунтов направлены на трансформацию свойств массива, делая его более прочным, устойчивым и водонепроницаемым. Они применяются, когда грунт в месте сооружения тоннеля слишком обводнен и не обладает достаточной несущей способностью.

1. Инъекционные методы: Заключаются в нагнетании специальных растворов в грунтовый массив через инъекционные скважины. Растворы проникают в поры и трещины, затем отвердевают, образуя искусственный камень или цементируя частицы грунта.
   • Силикатизация: Один из старейших и наиболее распространенных методов. Заключается в нагнетании растворов на основе силиката натрия («жидкое стекло») и хлорида кальция (или других реагентов) в песчаные и лёссовые грунты. Происходит химическая реакция с образованием кремнегеля, который цементирует частицы, придавая грунту значительную прочность и водонепроницаемость. Эффективна для мелкозернистых песков и лёссов.
   • Цементация: Применяется путем нагнетания цементного раствора в крупнообломочные грунты, крупные и средней крупности пески, а также трещиноватые скальные породы. Цемент заполняет пустоты и трещины, повышая прочность и водонепроницаемость массива. Для тонких трещин и мелких пор используются микроцементы.
   • Смолизация: Использует высокомолекулярные органические смолы (например, карбамидные, полиуретановые) с отвердителями. Эти смолы полимеризуются в грунтовом массиве, образуя прочный и водонепроницаемый материал. Эффективна для закрепления мелкозернистых песков, просадочных и лёссовых грунтов, а также для создания противофильтрационных завес.
   • Глинизация: Включает нагнетание бентонитовых растворов или других глинистых суспензий. Цель – снижение коэффициента фильтрации грунтов путем заполнения пор глинистыми частицами, создавая водонепроницаемую завесу. Применяется в песчаных и крупнообломочных грунтах.

Искусственное замораживание и кессонные работы

Эти методы относятся к наиболее радикальным и эффективным способам борьбы с водой и неустойчивостью грунтов.

1. Искусственное замораживание грунтов:
   • Принцип: Создание водонепроницаемого и прочного ледогрунтового ограждения вокруг будущей выработки. Это достигается путем бурения сети замораживающих скважин, в которые опускаются замораживающие колонки. По этим колонкам циркулирует хладоноситель (рассол хлорида кальция или жидкий азот) с температурой от -25°C до -50°C. В результате вода в водонасыщенных грунтах замерзает, образуя монолитный, водонепроницаемый и высокопрочный ледогрунтовой цилиндр или стену.
   • Преимущества: Высокая надежность и прочность ледогрунтового ограждения, полная водонепроницаемость, возможность проходки в самых сложных плывунных условиях.
   • Недостатки: Высокая стоимость, длительный подготовительный период (до нескольких месяцев для создания ледогрунтового цилиндра), необходимость постоянного контроля температуры, потенциальное влияние на грунты и сооружения после оттаивания.
   • Применимость: Идеально подходит для проходки через водонасыщенные пески, плывуны, а также для создания шахтных стволов и подземных камер в особо сложных условиях.
2. Кессонные работы (проходка под сжатым воздухом):
   • Принцип: Основан на использовании избыточного давления сжатого воздуха для отжатия воды из грунта в призабойной зоне. Рабочая камера (кессон) герметизируется, и в нее подается сжатый воздух, давление которого превышает гидростатический напор подземных вод. Это позволяет вести проходческие работы в осушенных условиях, повышая устойчивость грунта в забое.
   • Преимущества: Возможность работы в сильнообводненных грунтах и плывунах, обеспечение устойчивости забоя и предотвращение притока воды.
   • Недостатки: Сложность и опасность, связанные с работой людей в условиях повышенного давления (кессонная болезнь). Требуется специальное медицинское оборудование и квалифицированный персонал. Ограничения по глубине заложения (обычно до 35-40 м).
   • Применимость: Эффективен при проходке тоннелей под водоемами или в сильнообводненных грунтах на относительно небольших глубинах.

Метод продавливания

Метод продавливания является особым подходом, который сочетает в себе элементы закрытого способа, но без полноценной проходки горным способом в традиционном понимании.

• Принцип: Заключается в вдавливании готовых труб или секций тоннеля (например, железобетонных) в грунт с использованием мощных гидравлических домкратов, расположенных в стартовом котловане. Разработка грунта внутри продавливаемой секции осуществляется по мере ее продвижения, а разработанный грунт удаляется через секцию на поверхность.
• Применимость: Применяется для прокладки тоннелей и коллекторов небольшой длины (до 200 метров) под существующими дорогами, железными дорогами, зданиями, не нарушая их поверхности. Особенно эффективен в слабых и средней прочности грунтах.
• Преимущества: Отсутствие вскрытия поверхности, минимальное воздействие на окружающую застройку, сокращение сроков строительства по сравнению с открытыми способами, высокая точность прокладки.
• Недостатки: Ограничения по длине и диаметру тоннеля, требует устройства стартового и приемного котлованов, чувствителен к наличию крупных включений в грунте (валуны, старые коммуникации).

Критерии выбора специальных методов

Выбор наиболее подходящего специального метода горных работ в тяжелых гидрогеологических условиях – это комплексная задача, требующая тщательного анализа множества факторов:

1. Устойчивость проходимых горных пород:
   • В крепких, трещиноватых скальных породах при наличии водопритоков может быть достаточно цементации или смолизации для заполнения трещин и снижения водопроницаемости.
   • В слабых, сыпучих или пластичных грунтах (пески, суглинки, глины) потребуется более радикальное закрепление, такое как силикатизация, замораживание или кессонные работы.
2. Мощность водоносной породы (горизонта):
   • При небольшой мощности водоносного горизонта и умеренных водопритоках могут быть эффективны инъекционные методы или локальное водопонижение.
   • При большой мощности и значительном водообилии часто требуется создание мощного водонепроницаемого ограждения, например, с помощью замораживания.
3. Водообилие водоносного горизонта: Объем воды, поступающей в выработку.
   • Малые водопритоки: Дренаж, откачка.
   • Средние водопритоки: Инъекционные методы, водопонижение.
   • Значительные водопритоки (плывуны): Замораживание, кессонные работы.
4. Гидростатический напор: Давление воды.
   • Высокий напор требует создания особо прочного и водонепроницаемого ограждения (замораживание, кессон), способного выдержать это давление.
   • Низкий напор допускает более простые решения.
5. Глубина заложения тоннеля: Влияет на применимость кессонных работ (ограничение по глубине) и на экономическую целесообразность других методов.
6. Экологические и градостроительные ограничения: Некоторые методы (например, замораживание) могут влиять на окружающую среду и близлежащие сооружения, что необходимо учитывать.

Цель всех специальных способов проходки горных выработок в обводненных условиях – максимально изолировать выработку от притока воды и обеспечить устойчивость забоя. Однако важно понимать, что эта цель не всегда может быть достигнута абсолютно, и часто приходится комбинировать методы или принимать компромиссные решения, постоянно контролируя ситуацию на строительной площадке.

Расчет и конструирование обделок тоннелей, возводимых горным способом

Сердце любого тоннеля – это его обделка. Именно она является той несущей оболочкой, которая противостоит огромным силам природного давления, обеспечивает герметичность и определяет долговечность всего сооружения. Проектирование обделок – это сложная инженерная задача, требующая глубокого понимания механики грунтов, строительной механики и строгого соблюдения нормативных требований.

Назначение и типы обделок

Обделка тоннеля – это постоянная конструктивная система, которая воспринимает все нагрузки от окружающего грунтового массива, гидростатического давления, а также эксплуатационные нагрузки (например, от движущегося транспорта) и обеспечивает проектную форму, устойчивость, водонепроницаемость и долговечность тоннельной выработки.

По своей функции обделки делятся на:

• Временная крепь: Устанавливается непосредственно после разработки грунта для обеспечения устойчивости выработки и безопасности работ до возведения постоянной обделки. Она может быть выполнена из дерева, металла (арочные рамы), набрызгбетона с анкерами. В некоторых случаях (например, при Новоавстрийском методе) временная крепь может становиться частью постоянной, работая совместно с ней.
• Постоянная обделка: Основная несущая конструкция тоннеля, рассчитываемая на весь срок его службы. Она должна обладать достаточной прочностью, жесткостью, водонепроницаемостью и долговечностью.

Основные конструктивные решения обделок:

1. По материалу:
   • Монолитные железобетонные: Отливаются непосредственно на месте в опалубке. Обеспечивают высокую герметичность и прочность, подходят для сложных форм.
   • Сборные железобетонные: Состоят из отдельных блоков (тюбингов), монтируемых в единое кольцо. Позволяют ускорить строительство, но требуют точного изготовления и тщательной герметизации стыков.
   • Комбинированные: Сочетание сборных и монолитных элементов, например, сборные тюбинги с последующим монолитным омоноличиванием.
   • Набрызгбетонные: Применяются как самостоятельная обделка или часть комбинированной, особенно в рамках Новоавстрийского метода.
   • Металлические: Реже используются как основная обделка, чаще в виде арочных рам в составе крепи или для усиления.
2. По форме поперечного сечения:
   • Круговые: Наиболее рациональная форма для восприятия равномерного всестороннего давления, характерная для глубокозаложенных тоннелей.
   • Подковообразные (или сводчатые): Применяются при мелком заложении или в условиях, где грунтовое давление более выражено по вертикали. Состоят из свода, стен и обратного свода (лотка).
   • Эллиптические, прямоугольные, трапециевидные: Используются реже, в зависимости от специфических требований (например, для размещения нескольких путей или каналов).

Нормативная база для проектирования обделок

В Российской Федерации ключевым документом, регламентирующим проектирование обделок тоннелей, является СП 122.13330.2023 «Тоннели железнодорожные и автодорожные» (актуализированная редакция СНиП 32-04-97). Этот свод правил устанавливает общие требования к расчетам, конструированию, материалам и обеспечению безопасности тоннелей.

СП 122.13330.2023 содержит указания по:

• Определению нагрузок на обделку: Учитываются нагрузки от горного давления, гидростатического давления, собственного веса обделки, временных нагрузок (от транспорта, оборудования), а также особых воздействий (сейсмические, взрывные).
• Расчету прочности и деформаций: Обделки рассчитываются на прочность и устойчивость по методу предельных состояний, с учетом работы материалов (бетон, арматура) и взаимодействия с окружающим массивом.
• Конструктивным требованиям: Устанавливаются минимальные толщины обделок, требования к армированию, защитному слою бетона, стыкам сборных конструкций, дренажным системам.
• Водонепроницаемости: Требования к гидроизоляции и дренажным системам для предотвращения инфильтрации воды в тоннель.

Методики расчета обделок

Расчет обделок тоннелей – это комплексная задача, которая может выполняться различными методами, каждый из которых имеет свои допущения и области применения.

1. Методы строительной механики на заданные нагрузки:
   • Принцип: Обделка рассматривается как стержневая система (кольцо, рама), на которую действуют определенные, заранее заданные нагрузки от грунтового массива. Эти нагрузки могут быть определены по эмпирическим формулам (например, по А.Н. Диннику, В.В. Фёдорову) или на основе упрощенных геомеханических моделей.
   • Допущения: Считается, что обделка работает как самостоятельная конструкция, а свойства грунта представлены как набор внешних нагрузок. Взаимодействие обделки с массивом учитывается через коэффициент упругого отпора (коэффициент постели), который характеризует жесткость грунта.
   • Коэффициент упругого отпора (k): Этот параметр, измеряемый в МПа/м или кН/м³, показывает, какое давление нужно приложить к единице площади поверхности грунта, чтобы вызвать его деформацию на единицу длины. Он позволяет моделировать сопротивление грунта деформациям обделки. Чем больше k, тем жестче грунт.
   • Преимущества: Относительная простота расчетов, пригодность для предварительных оценок и для тоннелей в стабильных, однородных условиях.
   • Недостатки: Упрощенное представление взаимодействия обделки с массивом, не всегда точно отражает реальное поведение системы «грунт-обделка», особенно в сложных геологических условиях.
2. Аналитические методы механики сплошной среды:
   • Принцип: Грунтовый массив рассматривается как упругая, упругопластическая или пластическая среда, а обделка – как оболочка, взаимодействующая с этой средой. Используются теории упругости, пластичности, а также решения для тонких и толстых оболочек.
   • Преимущества: Более точное моделирование взаимодействия «грунт-обделка», возможность учета перераспределения напряжений в массиве, более глубокое понимание поведения системы.
   • Недостатки: Математически более сложные, требуют знания продвинутых разделов механики сплошной среды.
3. Методы численного моделирования (конечно-элементные методы, метод конечных разностей):
   • Принцип: Наиболее мощные и универсальные методы. Грунтовый массив и обделка дискретизируются на множество конечных элементов. Свойства каждого элемента, а также условия взаимодействия между ними (контактные элементы), задаются численно. Позволяют моделировать сложные геометрические формы, неоднородные грунты, нелинейные свойства материалов и различные этапы строительства.
   • Преимущества: Высокая точность, возможность учета любых геологических условий, последовательности строительства, нелинейного поведения грунтов и обделки, моделирования сейсмических и взрывных воздействий.
   • Недостатки: Требуют специализированного программного обеспечения, высокой квалификации расчетчика и значительных вычислительных ресурсов.

Учет особых воздействий при расчете

При проектировании тоннелей, особенно в сейсмически активных регионах или при использовании буровзрывных работ, необходимо учитывать особые воздействия:

1. Сейсмические воздействия:
   • Согласно СП 122.13330.2023 и СНиП II-7 «Строительство в сейсмических районах», тоннели, расположенные в районах с сейсмичностью 7 баллов и выше, должны рассчитываться на сейсмические воздействия.
   • Методика: Расчеты выполняются с использованием динамических методов, которые учитывают распространение сейсмических волн в грунтовом массиве и их воздействие на обделку. Могут использоваться как упрощенные динамические модели, так и сложные численно-аналитические, например, метод «жестких блоков», или метод конечных элементов с динамическим анализом.
   • Результат: Определение дополнительных напряжений и деформаций в обделке, а также проверка устойчивости сооружения при землетрясении.
2. Взрывные воздействия при буровзрывных работах:
   • Буровзрывные работы создают ударную волну, которая распространяется по массиву и может вызывать дополнительные напряжения в уже построенных участках тоннеля или в расположенных рядом сооружениях.
   • Учет: В расчетах необходимо учитывать динамические нагрузки от взрывов, определяя безопасные расстояния до существующих конструкций и максимально допустимые заряды взрывчатых веществ. Может потребоваться установка дополнительных демпфирующих элементов или изменение последовательности взрывных работ.

Инновационные материалы и конструктивные решения для обделок

Современное тоннелестроение активно внедряет новые материалы и технологии, направленные на повышение надежности, долговечности и экономической эффективности обделок.

1. Фибробетон:
   • Суть: Бетон, армированный дисперсными волокнами (стальными, базальтовыми, полимерными).
   • Преимущества: Значительное повышение трещиностойкости, ударной вязкости, сопротивления растяжению при изгибе, морозостойкости и долговечности. Волокна препятствуют распространению микротрещин.
   • Применение: Используется для набрызгбетонных обделок, сборных тюбингов, а также для локального усиления.
   • Пример: Применение сталефибробетона в обделках тоннелей метрополитена позволило сократить толщину обделки и повысить ее эксплуатационные характеристики.
2. Набрызгбетон:
   • Суть: Бетон или раствор, наносимый под давлением на поверхность выработки. Может быть усилен фибрами и/или арматурной сеткой.
   • Преимущества: Быстрое создание несущей оболочки, адаптация к любой форме выработки, возможность работы в сложных условиях, предотвращение вывалов породы, активация несущей способности массива (в НАТМ).
   • Применение: Временная крепь, элемент податливой обделки по НАТМ, гидроизоляционная оболочка, часть постоянной обделки.
3. Анкерные крепления:
   • Суть: Металлические стержни, закрепляемые в скважинах в горном массиве и работающие на растяжение. Могут быть стальными, стеклопластиковыми, самозабуривающимися.
   • Преимущества: Создание несущего кольца в приконтурной зоне массива, повышение его устойчивости, активация несущей способности породы, гибкость в применении.
   • Применение: Основной элемент крепи в Новоавстрийском методе, усиление набрызгбетонных обделок, стабилизация откосов.
4. Арматурные сетки:
   • Суть: Сварные сетки из арматурной стали, устанавливаемые под слой набрызгбетона.
   • Преимущества: Повышение прочности набрызгбетонной оболочки на растяжение и изгиб, распределение нагрузок.
   • Применение: В составе набрызгбетонной крепи, особенно при Новоавстрийском методе.

Примеры из практики:
В России и за рубежом активно применяются эти инновации. Например, при строительстве тоннелей Московского метрополитена широко используются сборные железобетонные тюбинги, а в сложных гидрогеологических условиях – монолитные обделки. Новоавстрийский метод с набрызгбетоном и анкерами успешно применялся при строительстве Северомуйского тоннеля на БАМе, а также при проходке тоннелей в Альпах (например, Готардский базовый тоннель в Швейцарии). Использование фибробетона, в частности, сталефибробетона, набирает популярность для создания более долговечных и трещиностойких обделок транспортных тоннелей, значительно повышая их надежность и эксплуатационные характеристики.

Обеспечение устойчивости массива горных пород и безопасность работ

Строительство тоннелей горным способом – это всегда балансирование на грани риска. Непредсказуемость горного массива, динамика его поведения под воздействием проходческих работ, а также сложность самих технологий требуют высочайшего уровня внимания к вопросам устойчивости выработки и, что самое главное, к безопасности персонала. Эти аспекты являются не просто желательными, но абсолютно обязательными элементами любого проекта.

Мониторинг и контроль деформаций массива

Ключевым инструментом управления рисками и обеспечения устойчивости в процессе тоннелестроения является непрерывный мониторинг. Особенно это актуально при применении таких методов, как Новоавстрийский метод (НАТМ), где концепция «податливого свода» подразумевает контролируемые деформации массива и крепи.

Системы мониторинга включают измерения:

1. Горного давления: Установка датчиков давления в массиве и на крепях позволяет фиксировать изменения напряженно-деформированного состояния породы. Это критически важно для своевременного выявления зон повышенного давления и корректировки параметров крепи.
2. Деформаций крепи: Измерения конвергенции (сближения противоположных точек поперечного сечения тоннеля) и опусканий (вертикальных деформаций) обделки. Эти данные позволяют оценить, насколько эффективно крепь воспринимает нагрузки и не превышают ли деформации допустимые значения.
3. Деформаций массива: Установка экстензометров, инклинометров и других геодезических приборов в массиве за пределами контура выработки позволяет отслеживать его подвижки и оценивать степень влияния проходки на окружающие породы и, при необходимости, на поверхностные сооружения.

Значение мониторинга:

• Оперативное управление: Данные мониторинга позволяют инженерам оперативно принимать решения об усилении крепи, изменении технологии проходки или временной остановке работ при неблагоприятных тенденциях.
• Оптимизация проекта: Понимание фактического поведения массива позволяет корректировать проектные решения, например, толщину обделки или плотность анкеров, что может привести к экономии ресурсов без ущерба для безопасности.
• Повышение безопасности: Своевременное обнаружение критических деформаций или возрастания давления является залогом предотвращения обрушений и аварий.

Меры по предотвращению обрушений и повышению устойчивости

Для обеспечения стабильности горной выработки и минимизации рисков обрушений применяется комплекс превентивных и защитных мер:

1. Опережающее крепление: В неустойчивых грунтах, особенно при проходке вблизи зон возможных вывалов, используются методы опережающего крепления. К ним относятся:
   • Опережающие анкеры: Устанавливаются в массив до подхода забоя, чтобы создать предварительно упрочненную зону.
   • Опережающее набрызгбетонное крепление: Нанесение слоя набрызгбетона на обнаженную поверхность массива сразу после взрыва или разработки, чтобы быстро зафиксировать приконтурный слой.
   • Опережающие инъекции: Закачка цементных или химических растворов в массив перед забоем для его упрочнения и снижения водопроницаемости.
2. Использование опережающих экранов и бетонных козырьков:
   • Опережающие экраны: Представляют собой набор металлических или железобетонных труб, которые вдавливаются или забуриваются в массив над будущей выработкой, формируя защитный «зонт». Они используются для проходки в крайне неустойчивых, сыпучих или обводненных грунтах, предотвращая вывалы и оплывы непосредственно у забоя.
   • Бетонные козырьки: Монолитные или сборные железобетонные конструкции, устраиваемые над забоем или в начале нового участка тоннеля в сложных геологических условиях, чтобы обеспечить временную защиту от падения породы.
3. Дренажные системы: Эффективное водоотведение является критически важным для поддержания устойчивости грунтов. Проектируются системы поверхностного и глубинного дренажа для сбора и отвода подземных вод.
4. Учет геомеханических свойств: Тщательное изучение прочности и деформируемости грунтов, их анизотропии и трещиноватости позволяет выбрать оптимальный контур выработки, уклоны, и правильно рассчитать требуемое крепление.

Требования промышленной безопасности

Безопасность труда при строительстве тоннелей горным способом – это не просто набор правил, а строгая система мер, направленных на минимизацию рисков для жизни и здоровья персонала. Регламентация этих требований осуществляется на основании ряда нормативных документов, таких как:

• СП 3.02.03 «Подземные горные выработки»: Устанавливает общие правила безопасности при ведении подземных горных работ.
• «Единые правила безопасности при ведении взрывных работ»: Строго регламентирует все аспекты, связанные с хранением, транспортировкой, применением взрывчатых веществ и организацией взрывных работ.
• СП 122.13330.2023 «Тоннели железнодорожные и автодорожные»: Содержит разделы, посвященные требованиям безопасности при строительстве тоннелей.

Ключевые аспекты промышленной безопасности при тоннелестроении:

1. Организация работ:
   • Проекты производства работ (ППР): Каждый этап строительства должен быть детально описан в ППР, с указанием последовательности операций, применяемого оборудования, мер безопасности, мест расположения эвакуационных выходов и средств пожаротушения.
   • Наряд-допускная система: Работы повышенной опасности (взрывные работы, работы в опасных зонах, работы на высоте) должны выполняться по наряд-допуску.
   • Обучение и аттестация персонала: Все работники должны проходить обязательное обучение по охране труда и проверку знаний, включая специфику работы в тоннелях.
2. Вентиляция:
   • Обеспечение свежего воздуха: Постоянное проветривание тоннеля для удаления вредных газов (после взрывов), пыли, обеспечения необходимой концентрации кислорода и комфортной температуры.
   • Проектирование вентиляционных систем: Учитывается длина тоннеля, объем выработки, тип проходки, количество работающего оборудования и персонала.
3. Освещение:
   • Достаточность и равномерность: Обеспечение адекватного освещения всех участков тоннеля, рабочих мест, путей эвакуации для предотвращения травматизма.
   • Аварийное освещение: Наличие автономных источников света на случай отключения основного электроснабжения.
4. Пожарная безопасность:
   • Противопожарные меры: Использование негорючих материалов, организация пожарных постов, наличие средств пожаротушения, пожарных водопроводов.
   • Планы эвакуации: Разработка и тренировка планов эвакуации персонала при возникновении пожара или других аварийных ситуаций.
5. Эвакуация:
   • Эвакуационные выходы: Оборудование достаточного количества и четко обозначенных эвакуационных выходов, запасных тоннелей или штолен.
   • Средства спасения: Наличие спасательного оборудования, средств индивидуальной защиты (самоспасателей), пунктов первой помощи.

Таким образом, обеспечение устойчивости массива и безопасности работ при строительстве тоннелей горным способом – это многоуровневая задача, требующая постоянного контроля, строгого соблюдения нормативов и готовности к быстрым и адекватным действиям в изменяющихся условиях подземного пространства. Как инженерам удается сохранять такой высокий уровень контроля в столь динамичной и непредсказуемой среде?

Заключение

Проектирование и строительство тоннелей горным способом — это одно из самых сложных и ответственных направлений в инженерном деле, требующее глубоких знаний, инновационного мышления и комплексного подхода. Данная курсовая работа позволила всесторонне рассмотреть принципы, методологии и практические аспекты этой увлекательной области.

Мы выяснили, что тоннель — это не просто подземный проход, а сложное инженерное сооружение, чье взаимодействие с окружающим грунтовым массивом является определяющим фактором для всех проектных решений. Исторический обзор показал, как от примитивных ручных работ тоннелестроение эволюционировало до высокотехнологичных процессов, способных преодолевать сложнейшие геологические вызовы.

Критическое значение для успешного проекта имеют инженерно-геологические и гидрогеологические изыскания. Они служат фундаментом, предоставляя исчерпывающую информацию о свойствах грунтов, их разрабатываемости (определяемой, например, по шкале Протодьяконова) и наличии водоносных горизонтов. Строгое соблюдение нормативной базы, такой как СП 122.13330.2023, является обязательным на всех этапах изысканий.

Анализ методов и технологий проходки продемонстрировал разнообразие подходов: от классических (ручной, буровзрывной, комбайновый, методы сплошного забоя или нижнего уступа) до инновационных, таких как Новоавстрийский метод (НАТМ) с его концепцией податливого свода и непрерывным мониторингом. В особо сложных гидрогеологических условиях незаменимыми становятся специальные методы проходки: инъекционное закрепление (силикатизация, цементация), искусственное замораживание, кессонные работы и метод продавливания. Выбор конкретного метода всегда обусловлен тщательным анализом устойчивости пород, водообилия и гидростатического напора.

Особое внимание было уделено расчету и конструированию обделок тоннелей. Мы рассмотрели различные типы обделок и методики их расчета – от упрощенных методов строительной механики до сложных численных моделей, учитывающих коэффициент упругого отпора и особые воздействия, такие как сейсмические и взрывные. Внедрение инновационных материалов, таких как фибробетон, а также современных технологий крепления (набрызгбетон, анкеры, арматурные сетки), значительно повышает надежность и долговечность подземных сооружений.

Наконец, подчеркнута исключительная важность обеспечения устойчивости массива и промышленной безопасности работ. Непрерывный мониторинг деформаций, применение опережающего крепления и строгое соблюдение требований нормативных документов (СП 3.02.03, «Единые правила безопасности при ведении взрывных работ») – это не просто рекомендации, а жизненно важные условия для предотвращения аварий и защиты персонала.

Перспективы развития отрасли тоннелестроения горным способом связаны с дальнейшей автоматизацией и роботизацией проходческих комплексов, развитием интеллектуальных систем мониторинга, которые будут способны предсказывать поведение массива с высокой точностью, а также с внедрением новых, более экологичных и прочных материалов. Особое значение приобретает развитие технологий информационного моделирования (BIM) для комплексного проектирования, строительства и эксплуатации тоннелей, что позволит повысить эффективность, сократить сроки и снизить риски.

В конечном итоге, проектирование тоннелей горным способом — это непрерывный поиск гармонии между мощью природы и силой инженерной мысли, направленный на создание безопасных, функциональных и долговечных объектов для будущих поколений.

Список использованной литературы

1. Бабков В.Ф., Андреев О.В. Проектирование автомобильных дорог. Ч. I, II. – М.: Транспорт, 1987.
2. Васильев А.П., Сиденко В.М. Проектирование автомобильных дорог и организация дорожного движения. – М.: Транспорт, 1990.
3. Гибшман М.Е., Попов В.И. Проектирование транспортных сооружений : Учебник для вузов. 2-е изд. – М.: Транспорт, 1988.
4. Колоколов Н.М., Вейнблат Б.М. Строительство мостов: Учебник. – М.: Транспорт, 1981.
5. Проектирование деревянных и железобетонных мостов / Под ред. А.А. Петропавловского. – М.: Транспорт, 1978.
6. Содержание, реконструкция, усиление и ремонт мостов и труб / Под ред. В.О. Осипова, Ю.Г. Козьмина. – М.: Транспорт, 1996.
7. Филатов В.Б. Методические рекомендации по проектированию и строительству температурно-неразрезных пролетных строений мостов на автомобильных дорогах. – М.: Союздорнии, 1987.
8. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты.
9. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия.
10. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы.
11. Пособие к СНиП 2.05.03-84*.
12. СП-50. Свод правил по проектированию фундаментов и опор.
13. Инженерно-геологические изыскания. Компания VolksKruppAE, Санкт-Петербург. URL: https://volkskrupp.ru/inzhinirnyie-izyskaniya/inzhenerno-geologicheskie-izyskaniya (дата обращения: 28.10.2025).
14. Методы проходки тоннелей. Архитектурные конструкции мостов, тоннелей и метрополитенов. Bstudy. URL: https://bstudy.net/605510/stroitelstvo/metody_prohodki_tonneli (дата обращения: 28.10.2025).
15. СП 122.13330.2023. СНиП 32-04-97 Тоннели железнодорожные и автодорожные (с Измен.). URL: https://docs.cntd.ru/document/1200100000 (дата обращения: 28.10.2025).
16. СП Инженерно-геологические изыскания для строительства. URL: https://docs.cntd.ru/document/556108169 (дата обращения: 28.10.2025).
17. СП 47.13330.2012. Инженерные изыскания для строительства. Актуализированная редакция СНиП 11-02-96. Трудовой десант. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200095874 (дата обращения: 28.10.2025).
18. Назначение и характеристика специальных способов работ. Московское метро. URL: https://old.mosmetro.ru/metro/metro/stroitelstvo/sposoby_rabot/ (дата обращения: 28.10.2025).
19. ТМ Х-2-79/4. Руководство по сооружению перегонных тоннелей метрополитена (в развитие главы СНиП III-44-77) Тоннели железнодорожные, автодорожные и гидротехнические. Метрополитены. Правила производства и приемки работ. URL: https://meganorm.ru/Data2/1/4293836/4293836526.htm (дата обращения: 28.10.2025).
20. Горный способ проходки тоннелей. Новости строительства и развития подземных сооружений. URL: https://subexpert.ru/gornyj-sposob-prohodki-tonnelej/ (дата обращения: 28.10.2025).
21. Новые методы сооружения тоннелей горным способом. Московское метро. URL: https://old.mosmetro.ru/metro/metro/stroitelstvo/sposoby_rabot/ (дата обращения: 28.10.2025).
22. Иванес Т.В. Тоннели, сооружаемые горным способом. Часть 11. Справочные материалы для курсового проектирования. URL: https://elib.istu.edu/wp-content/uploads/2019/05/11.0.pdf (дата обращения: 28.10.2025).
23. Специальные гидрогеологические исследования при разработке рудных и нерудных месторождений. Energomash.pro. URL: https://energomash.pro/poleznyie-stati/spetsialnyie-gidrogeologicheskie-issledovaniya-pri-razrabotke-rudnyih-i-nerudnyih-mestorozhdeniy/ (дата обращения: 28.10.2025).
24. Сурма М.В. Методы сооружения и прокладки тоннелей. УДК 624.19. URL: https://rep.bntu.by/bitstream/handle/data/50215/МЕТОДЫ%20СООРУЖЕНИЯ%20И%20ПРОКЛАДКИ%20ТОННЕЛЕЙ.pdf (дата обращения: 28.10.2025).

С этим материалом также изучают

Расчет себестоимости вскрышных работ на горных предприятиях: Комплексный анализ и оптимизация для курсовой работы

Полный анализ расчета себестоимости вскрышных работ на горных предприятиях: методики, факторы влияния, оптимизация и HTML-преобразование для курсовой работы.

Сравнительный анализ эффективности прямых методов обмена при сортировке многомерных массивов по столбцам: стратегии обхода и влияние начального состояния данных

Сравнительный анализ пузырьковой сортировки многомерных массивов по столбцам: стратегии обхода, влияние начального состояния и практическая производительность.

Архитектурно-конструктивное проектирование промышленных зданий: Полное руководство для РГР и курсовых работ (2025)

Полное руководство по архитектурно-конструктивному проектированию промышленных зданий. От объемно-планировочных решений до фундаментов и колонн с актуальными нормами РФ (2025).

Методология проектирования приложений на Visual Basic 6.0 для обработки массивов данных и файловой организации: Глубокое исследование и практическое руководство

Глубокое руководство по разработке приложений на Visual Basic 6.0 для эффективной работы с массивами данных и файловой организацией. От основ до отладки и UI/UX.

Структура и содержание вводной части курсовой работы по горному делу

Узнайте, как правильно составить оглавление и написать сильное введение для курсовой по горному делу. Пошаговый разбор структуры, ключевых тезисов и требований ГОСТ.

Комплексирование методов ГИС для литологического расчленения и определения нефтенасыщенности коллекторов

Полное руководство по методике ГИС для дипломной работы. Описаны литологическое расчленение, расчет нефтенасыщенности и комплексирование методов. Содержит основы для структурирования научного исследования.

Математические методы и модели в экономике контрольная работа Вариант 9

... раскрое одного листа соответствующей партии по тому или иному способу раскроя, представлено в таблице1. Требуется раскроить материал ... с. 2. Шушерина, О. А. Математика. Экономико-математические модели и методы : курс лекций [Текст] / О. А. Шушерина. – ...

Воздействие атмосферных факторов на строительные материалы: механизмы деградации, методы расчета и повышения долговечности (Курсовая работа)

Изучите механизмы деградации стройматериалов от атмосферных факторов, методы оценки и повышения долговечности. Расчеты, защита бетона, древесины, полимеров.

Сапфир и его заменители: всесторонний анализ классификации, свойств и методов идентификации для геммологической экспертизы

Всесторонний анализ сапфира: классификация, физико-химические свойства, методы синтеза и детальные признаки для геммологической экспертизы. Отличите природный камень от синтетики и имитаций.

Уклонение от исполнения обязанностей военной службы (статья 339 УК РФ): комплексный правовой анализ и проблемные аспекты квалификации для академической работы

Полный правовой анализ статьи 339 УК РФ об уклонении от военной службы: объект, субъективная сторона, квалификация, судебная практика и меры предупреждения.