Способ возведения обделки подземного сооружения из монолитного бетона и щит для возведения обделки подземного сооружения из монолитного бетона

 

Изобретение относится к области подземного строительства и касается способа возведения обделки подземного сооружения из монолитного бетона и щита для его осуществления. Новым является то, что используют щит с имеющим длину не менее двух толщин возводимой обделки форкамерой, образованной внутренними поверхностями соединенных между собой скользящей и торцевой опалубок, концевого участка оболочки щита и гибкого уплотнителя, прикрепленного к внутренней поверхности торцевой опалубки, и дополнительными, но по крайней мере одним подающим и одним отводящим, имеющим регулируемый обратный клапан, бетоноводами, причем возведение монолитной бетонной обделки осуществляют непрерывно путем нагнетания через подающие бетоноводы бетононасосами пластичной бетонной смеси с расходом цемента не менее 400 кг/м³ смеси с равными по весу соотношениями инертных заполнителей и с наибольшим размером крупного заполнителя не более 30 мм в форкамеру, движущуюся в сторону забоя со скоростью, обеспечивающей нахождение бетонной смеси в скользящей опалубке вне форкамеры не менее 30 мин с созданием в форкамере давления бетонной смеси не менее 0,5 МПа и одновременным выдавливанием не менее 1/10 части бетонной смеси из форкамеры через отводящий бетоновод в приемные бункеры бетононасосов для повторного использования. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области подземного строительства, а именно, к способу возведения обделки подземного сооружения из монолитного бетона и конструкции щита для осуществления способа.

Известен принятый за наиболее близкий аналог способ возведения обделки подземного сооружения из монолитного бетона, включающий щитовую проходку тоннеля и возведение монолитной бетонной обделки с использованием скользящей и торцевой, взаимодействующей со щитовыми домкратами, опалубок и подающего бетоновода (SU, авт. св. N 141178, кл. Е 21 Д 11/10, 1977).

Известен также щит для возведения обделки подземного сооружения из монолитного бетона, включающий скользящую опалубку, торцевую опалубку, взаимодействующую с щитовыми домкратами, и подающий бетоновод (SU, авт. св. N 141178, кл. Е 21 Д1 1/10, 1977). Эта конструкция щита является наиболее близкой к заявленной по решаемой задаче и количеству общих существенных признаков и принята в качестве наиболее близкого аналога для второго независимого объекта заявляемой группы изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.

Известный способ и конструкция щита обладают рядом недостатков, наиболее существенными из которых являются: низкое качество обделки из-за разрушения структуры спрессованной бетонной смеси при выходе ее из-под оболочки щита (т.н. явление перепрессовки бетона); большая трудоемкость и низкие скорости проходки и возведения обделки; невозможность осуществления в водонасыщенных грунтах без предварительного водопонижения; возможность заклинивания пресс-кольца известного щита между опалубкой и оболочкой щита.

Задачей настоящего изобретения является повышение качества возводимой обделки за счет исключения разрушения структуры бетонной смеси при выходе ее из-под оболочки щита, повышение скорости проходки и возведения обделки при одновременном снижении трудозатрат, расширение области использования по грунтовым условиям, в частности обеспечение возможности возведения обделки в водонасыщенных грунтах без дополнительных трудо- и материалозатрат на предпостроечное водопонижение, а также повышение надежности производства работ.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе возведения обделки подземного сооружения из монолитного бетона, включающем щитовую проходку тоннеля и возведение монолитной бетонной обделки с использованием скользящей и торцевой, взаимодействующей со щитовыми домкратами, опалубок и подающего бетоновода, используют щит с имеющей длину не менее двух толщин возводимой обделки, форкамерой, образованной внутренними поверхностями соединенных между собой скользящей и торцевой опалубок, концевого участка оболочки щита и гибкого уплотнителя, прикрепленного к внутренней поверхности торцевой опалубки, и дополнительными по крайней мере одним подающим и одним отводящим, имеющим регулируемый обратный клапан, бетоноводами, причем возведение монолитной бетонной осуществляют непрерывно путем нагнетания через подающие бетоноводы бетононасосами пластической бетонной смеси с расходом цемента не менее 400 кг/м³ смеси с равными по весу соотношениями инертных заполнителей и с наибольшим размером крупного заполнителя не более 30 мм в форкамеру, движущуюся в сторону забоя со скоростью, обеспечивающей нахождение бетонной смеси в скользящей опалубке вне форкамеры не менее 30 мин, с созданием в форкамере давления бетонной смеси не менее 0,5 МПа и одновременным выдавливанием не менее 1/10 части бетонной смеси из форкамеры через отводящий бетоновод в приемные бункеры бетононасосов для повторного использования. При этом в бетонную смесь могут добавлять дисперсно-армирующие, пластифицирующие и регулирующие схватывание и твердение цемента добавки.

В части конструкции щита поставленная задача решается за счет того, что в конструкции щита для возведения обделки подземного сооружения из монолитного бетона, включающей скользящую опалубку, торцевую опалубку, взаимодействующую с щитовыми домкратами, и подающий бетоновод, торцевая опалубка соединена со скользящей опалубкой, выполненной длиной не более 1/3 внутреннего диаметра возводимой обделки, и снабжена с внутренней стороны гибким уплотнителем зазора между оболочкой щита и торцевой опалубкой, с образованием внутренними поверхностями уплотнителя, торцевой опалубки, скользящей опалубки и концевого участка оболочки щита форкамеры длиной не менее двух толщин возводимой обделки, причем щит снабжен поддерживающей опалубкой с регулируемой жесткостью, расположенной за скользящей опалубкой, и по крайней мере одним дополнительным подающим и одним отводящим, имеющим регулируемый обратный клапан, бетоноводами, при этом входные отверстия подающих и отводящих бетоноводов сообщены с форкамерой.

При этом скользящая опалубка может быть выполнена по длине составной из секций и расположенных между ними упругих прокладок.

Щит может быть снабжен приспособлением для образования на наружной поверхности возводимой обделки гибкой гидроизоляции, а участок скользящей опалубки за пределами форкамеры выполнен перфорированным для отвода свободной воды затворения из обжимаемой бетонной смеси внутрь подземного сооружения.

Поддерживающая опалубка может быть выполнена самодвижущейся, состоящей из отдельных секций по длине, снабженных регулируемыми рабочими органами радиально и продольно направленного действия, первые из которых предназначены для поддерживания твердеющего бетона обделки, а вторые для передвижения секций опалубки вдоль тоннеля, путем поочередного отталкивания в сторону забоя каждой из предварительно освобожденной от распорного действия радиально направленных рабочих органов секций опалубки от следующей за ней секции, распертой в обделку, с подтягиванием при этом последней секции опалубки к остальным, отталкиванием всех других друг от друга и согласованием цикла и шага передвижки поддерживающей опалубки со скоростью перемещения скользящей опалубки.

Щит может быть снабжен распорным шагающим приспособлением для дополнительного упора щитовых домкратов, расположенным за поддерживающей опалубкой в зоне затвердевшего бетона возводимой обделки и регулируемой системой стержневых элементов, соединяющих щитовые домкраты через скользящую опалубку с шагающим распорным приспособлением.

Стержневые элементы могут быть выполнены телескопическими.

Стержневые элементы могут быть выполнены с включением домкратов по длине.

Поддерживающая опалубка может быть снабжена средством, ускоряющим твердение бетона.

Скользящая опалубка может быть соединена с корпусом щита.

Заявленная совокупность существенных признаков способа возведения подземного сооружения из монолитного бетона и щита для его осуществления обеспечивает получение нового технического результата, состоящего в повышении надежности производства работ, исключении перепрессовки бетона, повышении скорости проходки и возведении обделки при одновременном снижении трудо- и материалозатрат.

На фиг.1 изображен щит и участок возводимой обделки, продольный разрез; на фиг.2 поперечное сечение тоннеля с обделкой, бетононасосами и бункерами; на фиг.3 разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 фрагмент возводимой обделки, вариант выполнения с гибкой гидроизоляцией на наружной поверхности, продольный разрез; на фиг. 5 фрагмент хвостовой оболочки щита в момент передвижения, продольный разрез.

Щит содержит корпус 1 с хвостовой оболочкой 2, в котором установлены щитовые домкраты 3, скользящую опалубку 4 и соединенную с ней торцевую опалубку 5 с гибким уплотнителем 6 зазора 7 между торцевой опалубкой 5 и хвостовой оболочкой 2 щита.

Щитовые домкраты 3 шарнирно соединены с торцевой опалубкой 5 и поддерживают переднюю часть 8 скользящей опалубки 4.

Щит снабжен поддерживающей опалубкой 9 с регулируемой жесткостью, расположенной за скользящей опалубкой 4.

Поддерживающая опалубка может быть выполнена самодвижущейся, состоящей из отдельных секций по длине, снабженных регулируемыми рабочими органами радиально и продольно направленного действия, первые из которых предназначены для поддерживания твердеющего бетона обделки, а вторые для передвижения секций опалубки вдоль тоннеля, путем поочередного отталкивания в сторону забоя каждой из предварительно освобожденной от распорного действия радиально направленных рабочих органов секций опалубки от следующей за ней секции, распертой в обделку, с подтягиванием при этом последней секции опалубки к остальным, отталкиванием всех других друг от друга и согласованием цикла и шага передвижки поддерживающей опалубки со скоростью перемещения скользящей опалубки.

Внутренними поверхностями уплотнителя 6 зазора 7, торцевой 5 и скользящей 4 опалубок и концевого участка хвостовой оболочки 2 щита образована форкамера 10 с входящими в нее подающими 11 и отводящими 12 бетоноводами, имеющими регулируемые обратные клапаны (не показаны).

Способ осуществляют следующим образом.

В форкамеру 10 при помощи бетононасосов 13 нагнетают бетонную смесь, часть которой идет на образование обделки, а другая часть, возвращающаяся в приемные бункеры 14 бетононасосов 13, циркулирует по замкнутому контуру, поддерживая жизнеспособность и обновляемость бетонной смеси.

Используют пластичную бетонную смесь с расходом цемента не менее 400 кг/м³ смеси с равными по весу соотношениями инертных заполнителей и с наибольшим размером крупного заполнителя не более 30 мм.

Смесь, находящаяся в форкамере 10, благодаря герметичности последней, не теряет свободную воду затворения и поэтому сохраняет подвижность и способность к перекачиванию. Свободную воду затворения бетонная смесь отдает в окружающий обделку грунт при выходе из-под хвостовой оболочки 2 щита.

Скорость продвижения скользящей 4 опалубки и синхронного с ней движения щита регулируют изменением производительности бетононасосов 13 и объема циркулирующей части бетонной смеси.

Не менее получаса спрессованная смесь находится в скользящей опалубке, после чего переходит в поддерживающую 9 опалубку, имеющую регулируемую жесткость.

В форкамере создают давление бетонной смеси не менее 0,5 МПа и обеспечивают возможность одновременного выдавливания не менее 1/10 части бетонной смеси из форкамеры через отводящий бетоновод в приемные бункеры бетононасосов.

В бетонную смесь могут добавлять дисперсно-армирующие, пластифицирующие и регулирующие схватывание и твердение цемента добавки.

Поддерживающая опалубка 9 обеспечивает условия, необходимые для нормального твердения бетона, включая при необходимости подогрев.

Поддерживающая опалубка может быть выполнена самодвижущейся, состоящей из отдельных секций по длине, снабженных регулируемыми рабочими органами радиально и продольно направленного действия, первые из которых предназначены для поддерживания твердеющего бетона обделки, а вторые для передвижения секций опалубки вдоль тоннеля, путем поочередного отталкивания в сторону забоя каждой из предварительно освобожденной от распорного действия радиально направленных рабочих органов секций опалубки от следующей за ней секции, распертой в обделку, с подтягиванием при этом последней секции опалубки к остальным, отталкиванием всех других друг от друга и согласованием цикла и шага передвижки поддерживающей опалубки со скоростью перемещения скользящей опалубки.

Вслед за поддерживающей опалубкой 9 передвигают шагающее распорное приспособление 15, позволяющее совместно с регулируемой системой стержневых элементов 16, включающей домкраты 17 по длине, создавать дополнительный упор для щита.

Для возведения монолитной бетонной обделки в обводненных грунтах щит снабжен приспособлением (не показано) для образования на наружной поверхности обделки гибкой гидроизоляции 18. В этом случае участок скользящей опалубки за пределами форкамеры выполнен частично или полностью перфорированным для отвода отжимаемой из бетонной смеси свободной воды внутрь тоннеля для последующего ее удаления. Свариваемый по длине рукав гибкой гидроизоляции сматывается с барабана (не показан), распрямляется и при движении щита автоматически протягивается между оболочкой щита и прижимающим ее уплотнителем 6 зазора 7, образуя сплошную наружную гидроизоляцию обделки. При использовании герметического щита, исключающего предварительное водопонижение, грунтовые воды не могут проникнуть внутрь тоннеля, т.к. давление в свободной воде, находящейся в бетонной смеси, практически всегда выше гидростатического давления воды в грунте.

Благодаря наличию кольцевого зазора между хвостовой оболочкой щита и торцевой опалубкой, а также шарнирной связи последней с щитовыми домкратами, щит обладает достаточной маневренностью.

Скользящая опалубка 4 может быть выполнена по длине составной из секций и расположенных между ними упругих прокладок (на чертежах не показано).

Небольшая общая длина скользящей опалубки и членение ее на секции по длине позволяет опалубке вписываться в кривые по трассе тоннеля.

Движение щита, коррекция его положения и положения его отдельных частей в пространстве контролируется системой автоматического управления, включающей силовой привод, приборы управления приводом, датчики обратной связи, бортовой компьютер и программное обеспечение к нему (на чертежах не показано).

Длина форкамеры является переменной величиной, которая может изменяться в заданных пределах при ведении щита.

При возникновении необходимости прекращения работ выключают бетононасосы, перекрывают входные и выходные отверстия в форкамере и уплотняют бетонную смесь, находящуюся в ней, щитовыми домкратами, действующими на торцевую опалубку, давлением не менее 0,5 МПа в течение не менее 30 мин, после чего передвижкой щита вперед сокращают длину форкамеры до 15-20 см. Спустя 2 ч и в последующие 8 ч через каждые 2 ч реверсивным движением щитовых домкратов протягивают скользящую опалубку вперед каждый раз на 1-2 см для предотвращения сцепления опалубки с твердеющим бетоном. После завершения цикла протяжек движением щитовых домкратов в сторону от забоя скользящую опалубку сдвигают до упора торцевой опалубки в уплотненный бетон и продвигают щит вперед на 5-6 см, одновременно заполняя образующийся кольцевой зазор, равный толщине оболочки щита, между бетоном обделки и контуром выработки тампонажным составом 19, например, пастой из бентонитовой глины, выжимая его через продольные каналы 20 в торце оболочки щита, снабженные обратными клапанами 21. Тампонаж необходим при длительных остановках щита для воспрепятствования проникновению грунтовых вод в тоннель. Такой режим может быть также применен при прохождении кривых малого радиуса с отсоединением части колец скользящей опалубки.

Описанная конструкция щита и способ возведения обделки подземного сооружения с использованием этой конструкции, а также описанных выше приемов осуществления способа обеспечили возможность выполнения обделки с высоким качеством и повышенными скоростями при одновременном снижении трудоемкости производства, работ в том числе и в водонасыщенных грунтах без предварительного водопонижения.

Формула изобретения

1. Способ возведения обделки подземного сооружения из монолитного бетона, включающий щитовую проходку тоннеля и возведение монолитной бетонной обделки с использованием скользящей и торцевой, взаимодействующей с щитовыми домкратами, опалубок, отличающийся тем, что используют щит с имеющей длину не менее двух толщин возводимой обделки форкамерой, образованной внутренними поверхностями соединенных между собой скользящей и торцевой опалубок, концевого участка оболочки щита и гибкого уплотнителя, прикрепленного к внутренней поверхности торцевой опалубки, дополнительными, по крайней мере одним подающим и одним отводящим, имеющим регулируемый обратный клапан, бетоноводами, причем возведение монолитной бетонной обделки осуществляют непрерывно путем нагнетания через подающие бетоноводы бетононасосами пластичной бетонной смеси с расходом цемента не менее 400 кг/м³ смеси с равными по весу соотношениями инертных заполнителей и с наибольшим размером крупного заполнителя не более 30 мм в форкамеру, движущуюся в сторону забоя со скоростью, обеспечивающей нахождение бетонной смеси в скользящей опалубке вне форкамеры не менее 30 мин с созданием в форкамере давления бетонной смеси не менее 0,5 МПа и одновременным выдавливанием не менее 1/10 ч. бетонной смеси из форкамеры через отводящий бетоновод в приемные бункеры бетононасосов для повторного использования.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в бетонную смесь добавляют дисперсно-армирующие, пластифицирующие и регулирующие схватывание и твердение цемента добавки.

3. Щит для возведения обделки подземного сооружения из монолитного бетона, включающий скользящую опалубку, торцевую опалубку, взаимодействующую с щитовыми домкратами, и подающий бетоновод, отличающийся тем, что торцевая опалубка соединена со скользящей опалубкой, выполненной длиной не более 1/3 внутреннего диаметра возводимой обделки, и снабжена с внутренней стороны гибким уплотнителем зазора между оболочкой щита и торцевой опалубкой с образованием внутренними поверхностями уплотнителя, торцевой опалубки, скользящей опалубки и концевого участка оболочки щита форкамеры длиной не менее двух толщин возводимой обделки, причем щит снабжен поддерживающей опалубкой с регулируемой жесткостью, расположенной за скользящей опалубкой, и по крайней мере одним дополнительным подающим и одним отводящим, имеющим регулируемый обратный клапан, бетоноводами, при этом входные отверстия подающих и отводящего бетоноводов сообщены с форкамерой.

4. Щит по п.3, отличающийся тем, что скользящая опалубка выполнена по длине составной из секций и расположенных между ними упругих прокладок.

5. Щит по пп.3 и 4, отличающийся тем, что он снабжен приспособлением для образования на наружной поверхности возводимой обделки гибкой гидроизоляции, а участок скользящей опалубки за пределами форкамеры выполнен перфорированным для отвода свободной воды затворения из обжимаемой бетонной смеси внутрь подземного сооружения.

6. Щит по пп.3 5, отличающийся тем, что поддерживающая опалубка выполнена самодвижущейся, состоящей из отдельных секций по длине, снабженных регулируемыми рабочими органами радиально и продольно направленного действия, первые из которых предназначены для поддерживания твердеющего бетона обделки, а вторые для передвижения секций опалубки вдоль тоннеля, путем поочередного отталкивания в сторону забоя каждой из предварительно освобожденной от распорного действия радиально направленных рабочих органов секций опалубки от следующей за ней секции, распертой в обделку, с подтягиванием при этом последней секции опалубки к остальным, отталкиванием всех других друг от друга и согласованием цикла и шага передвижки поддерживающей опалубки со скоростью перемещения скользящей опалубки.

7. Щит по пп.3 6, отличающийся тем, что он снабжен шагающим распорным приспособлением для дополнительного упора щитовых домкратов, расположенным за поддерживающей опалубкой в зоне затвердевшего бетона возводимой обделки, и регулируемой системой стержневых элементов, соединяющих щитовые домкраты через скользящую опалубку с шагающим распорным приспособлением.

8. Щит по п.7, отличающийся тем, что стержневые элементы выполнены телескопическими.

9. Щит по п. 7, отличающийся тем, что стержневые элементы выполнены с включением домкратов по длине.

10. Щит по пп.3 9, отличающийся тем, что поддерживающая опалубка снабжена средством, ускоряющим твердение бетона.

11. Щит по пп.3 10, отличающийся тем, что скользящая опалубка соединена с корпусом щита.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5