Способы и средства ведения проходческих работ при строительстве метро

Введение

1. Типы горных выработок и их назначение

1.1 Открытые (поверхностные) выработки

1.2 Подземные горные выработки

2. Способы и средства ведения проходческих работ

2.1. Горнотехнические характеристики и классификации горных пород

2.2. Способы проходки горных выработок

3. Вентиляция, крепление и освещение горных выработок

3.1. Вентиляция горных выработок

3.2. Крепление горных выработок

3.3. Освещение горных выработок

4. Водоотлив из горных выработок

5. Способы и средства ведения проходческих работ при строительстве метро

5.1.Чугунный тюбинг

5.2. Из чего состоит линия метро

5.3. Глубина

5.4.Станции

5.5. Платформы

Список литературы

Введение

Потребности людей не ограничиваются только продуктами питания. Материальное производство направлено на все возрастающее количество и разнообразие потребления и базируется в основном на минеральных ресурсах. Последние сосредоточены в недрах, т. е. скрыты от наших глаз. Поэтому для того, чтобы обнаружить и оценить их запасы, во многих странах организована геологоразведочная служба. Это также производство, но довольно специфическое, так как основной его продукцией является информация о недрах. В подготовке специалистов любой отрасли существуют два главных направления составляющих суть производства или его технологии: 1) изучение системы организации работ и 2) изучение технических средств, обеспечивающих производство с необходимой экономической эффективностью. В геологоразведочной отрасли первое это «методы поисков и разведки», а второе - «техника разведки».

Основным продуктом геологоразведочного производства является геологическая карта, на которой изображается структура недр изучаемой территории и дается информация о вещественном составе и полезных компонентах горных пород. Для составления геологических карт применяются три способа, 1) геологическая съемка или картирование на основе изучения естественных выходов горных пород, 2) бурение скважин, 3) проходка горных выработок.
1. Типы горных выработок и их назначение

Горные выработки - это искусственные выемки в массиве горных пород. Назначение их может быть разным. Они применяются достаточно широко при разработке месторождений в горнодобывающей промышленности, при проведении геологоразведочных работ, как инженерные сооружения в фортификации или при создании коммуникационных и транспортных сетей. Размеры их самые разные. Наиболее масштабные это системы связанных между собой выработок при отработке уникальных месторождений, как, например: Витватерсранд в Южной Африке; протяженные системы подземных сооружений в метрополитенах многих крупных мегаполисов мира; грандиозный тоннель, созданный под дном Ламанша, соединяющий Англию и Францию.

Прошли времена, когда люди спотыкались на развалах рудных тел, выходящих на поверхность. Теперь геологу, чтобы найти месторождение, требуется видеть глубже. Для этого существуют различные методы и технологии, но наиболее надежными остаются бурение и проходка выработок. А при отработке месторождений без горных выработок и вовсе не обойтись, при этом здесь применяются наиболее солидные по объему выемки горной массы - эксплуатационные. Если геологоразведочные служат геологам для кратковременного обнажения горных пород, вмещающих полезные ископаемые, то эксплуатационные – для длительного пользования уже при разработке месторождений горняками. Эксплуатационные выработки по назначению подразделяются на капитальные, подготовительные и очистные. Первые служат для обеспечения доступа к месторождению с поверхности, вторые - для подготовки его к отработке, а третьи являются собственно эксплуатационными, то есть с их помощью производиться выемка полезного ископаемого. Названия горных выработок преимущественно германоязычные. Они в России укоренились со времен Петра I. и отражают различия между ними по ряду признаков: по связи с дневной поверхностью, по положению в пространстве относительно вектора силы тяжести, по ориентировке относительно залегания тел полезных ископаемых и вмещающих пород, по направлению перемещения забоя; по направлению перемещения грузов и т.д.

По отношению к дневной поверхности все горные выработки делятся на открытые (поверхностные) и подземные. Различать их можно по форме поперечного сечения. Для подземных это сечение замкнутое контуром стенок, а для открытых выработок контур поперечного сечения открыт со стороны дневной поверхности. Сам объем выработок для определения их типа при этом не имеет никакого значения. Горный карьер - огромная по объему выработка, но она открытая, также как и мелкая закопушка, а вот даже неглубокий шурф это уже подземная выработка.

1.1. Открытые (поверхностные) выработки

К ним относятся закопушки, расчистки, канавы, траншеи, карьеры. Элементами формы выработок являются их дно (полотно) и боковые стенки. Забоем называют технологический элемент формы выработки, который перемещается по мере проходки. В шурфе это дно, в штольне – торцевая стенка, а в канаве то и другое. Размер поперечного сечения выбирается минимально возможным и определяется задачами проходки, глубиной залегания геологического объекта, устойчивостью боковых стенок и возможностью обеспечения нормальных условий ведения работ.

Канавы представляют собой не глубокие, но протяженные выработки, которые широко применяются на стадии поисковых и оценочных работ для обнажения рудных тел и коренных пород, залегающих близко к поверхности.

Траншеи от канав отличаются большей протяженностью, глубина их может достигать пяти метров, поэтому поперечный их профиль может быть ступенчатым, с дополнительными площадками – бермами для перевала породы. Может при этом применяться и искусственная крепь. Траншеи обычно проходятся уже на стадии оценки и разведки месторождений или их вскрытия для отработки.

Закопушка - самая мелкая по объему горная выработка, это небольшая ямка. Применяется обычно при картировании и для отбора проб горных пород с поверхности.

Расчистка - это искусственное обнажение, не глубокое, но большое по площади, форма неправильная и определяется контуром необходимого вскрытия породы. Применяется при изучении геологических структур или отбора больших по объему проб.

Карьер – большая по площади и глубине открытая эксплуатационная выработка неопределенной формы, зависящей от расположения и морфологии рудных тел. Угольные карьеры называются также разрезами.

1.2. Подземные горные выработки

По отношению к вектору силы тяжести подземные горные выработки делятся на горизонтальные, вертикальные и наклонные. По направлению ведения проходческих работ различают нисходящие, когда они проходятся сверху вниз, или на восстающие, когда ведутся снизу вверх. К вертикальным относятся шурф и шахтный ствол, к горизонтальным – штольня, штрек, квершлаг и др.

Горизонтальные выработки.

Штольня – в отличие от других типов горизонтальных выработок имеет непосредственный выход на дневную поверхность, называется так независимо от направления проходки. Применяются для вскрытия объекта с поверхности в условиях расчлененного рельефа. Начало выработки это ее устье, конец – забой, различают также кровлю, полотно и боковые стенки.

Все горизонтальные горные выработки проходятся с некоторым подъемом для удаления воды из выработки самотеком.

Штрек— горизонтальная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, проходимая по простиранию тел полезных ископаемых при наклонном их залегании, а при горизонтальном залегании тела —в любом направлении по протяженности месторождения.

Квершлаг - горизонтальная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, проходимая по вмещающим породам или по телу полезного ископаемого под углом к их простиранию, чаще всего вкрест простирания.

Орт проходится по мощности полезному ископаемому и не выходит за его пределы.

Рассечка проходится из другой выработки под любым углом к телу полезных ископаемых, может выходить за его пределы. Длина обычно небольшая и не превышает 20-30м.

Вертикальные выработки.

Шурф - вертикальная выработка квадратного, прямоугольного или круглого сечения (шурфы круглого сечения носят название дудок), имеющая непосредственный выход на земную поверхность. Из шурфов нередко проходят горизонтальные выработки: рассечки, квершлаги, штреки.

Шахтный ствол имеет большее, чем шурфы сечение, большую глубину. Форма сечения обычно квадратная, имеет выход на дневную поверхность. В некоторых случаях шахтный ствол проходится из горизонтальных подземных выработок, например из штолен, и называются «слепыми».

Гезенк в отличие от шахтного ствола не имеет непосредственного выхода на дневную поверхность, служит для спуска грузов и людей с верхнего на нижние горизонты.

Наклонные выработки.

Уклон проходиться по падению пласта полезного ископаемого. При добыче полезного ископаемого используется обычно для подъема грузов с нижнего горизонта на верхний.

Бремсберг также проходиться по падению полезного ископаемого, но в отличие от уклона используется для спуска грузов и людей с нижнего на верхний горизонт.

Восстающий - это выработка, которая не имеет выхода на дневную поверхность и проходиться снизу вверх под любым углом.

2. Способы и средства ведения проходческих работ

2.1. Горнотехнические характеристики и классификации горных пород

Физико-механические свойства горных пород являются главными факторами, определяющими выбор оборудования и технологию добычи. К наиболее существенным из этих свойств относятся крепость и устойчивость.

Крепость — комплексная характеристика горных пород, характеризующая их сопротивляемость разрушению и зависящая от таких свойств как твердость, вязкость, трещиноватость, и от наличия прослоек и включений.

Устойчивость горных пород - это их способность сохранять равновесие при обнажении. Устойчивость горных пород зависит от их структуры и физико-механических свойств, величины возникающих в породном массиве напряжений. Устойчивость пород является одним из основных признаков для выбора систем подземной разработки, определения ее параметров и способов крепления горных выработок.

2.2. Способы проходки горных выработок

Проходка горных выработок трудоемкий процесс. Специфика геологоразведочных работ в том, что они ведутся преимущественно в условиях с недостаточно развитой инфраструктурой или при ее полном отсутствии. Проходка горных выработок может осуществляться тремя основными способами: 1) механизированным с применением специальных землеройных машин; 2) вручную с применением шанцевого инструмента; 3) с применением буровзрывных работ.

3. Вентиляция, крепление и освещение горных выработок

3.1. Вентиляция горных выработок

Нормальный атмосферный воздух представляет собой довольно постоянную смесь газов и паров воды. Обычно в сухом атмосферном воздухе содержится около 79% азота, 20,6% кислорода и 0,4% углекислого газа (по объему).

Воздух, заполняющий горные выработки, называется рудничным воздухом. Состав рудничного воздуха отличается более низким содержанием кислорода, обогащен оксидами углерода, метаном, сероводородом, сернистым газом, оксидами азота, имеет более высокую влажность, температуру и содержание пыли.

Существуют два основных метода проветривания горных выработок: 1) проветривание методом естественной тяги системы подземных выработок; 2) принудительное проветривание.

3.2. Крепление горных выработок

Горные выработки испытывают воздействие сил, возникающих при нарушении изостатического равновесия в горном массиве в результате создания в нем искусственной выемки. Они проявляются как горное давление.

Характер проявления горного давления зависит от геологических факторов, размеров горных выработок, а также способов проведения последних.

Чтобы воспрепятствовать развитию чрезмерных напряжений в массиве горных пород и предотвратить разрушение горных выработок применяют различные конструкции, которые называются крепью, а процесс их возведения и установки - креплением.

Крепление горных выработок производится деревянной, бетонной, каменной и металлической крепью.

3.3. Освещение горных выработок

Поверхностные горноразведочные выработки легкого типа, проводимые, как правило, в пределах светового дня, в дополнительном освещении не нуждаются. Освещать приходится лишь подземные выработки.

Для освещения подземных горных выработок применяют следующие источники света:

1. Стационарные, действующие на протяжении всего срока службы выработки.

2. Полустационарные, которые по мере продвигания забоя могут перемещаться.

3. Местные, при которых осветительная установка монтируется на горнопроходческих машинах или механизмах.

4. Переносные или индивидуальные.

4. Водоотлив из горных выработок

Приток воды в поверхностные горные выработки (канавы, расчистки и т.п.) обусловливается исключительно атмосферными осадками. Водоотлив из таких выработок, в тех случаях, когда им приходится заниматься, обычно серьезных трудностей не представляет.

Водоприток подземных горных выработок зависит от обводненности месторождения и напора вод во вмещающих породах, от времени года.

Совокупность мероприятий и устройств, служащих для удалении воды ив выработки на дневную поверхность, называется водоотливом при проходке выработки или сокращенно -водоотливом.

Самотеком вода удаляется из наклонных выработок, проходимых снизу вверх (восстающих), а также из горизонтальных выработок, подошве которых придается продольный уклон от 0,002 до 0,008 в сторону устья. При этом в подошве горизонтальной выработки устраивают водоотводные канавки.

При значительных водопритоках в процессе проведения шурфов и стволов шахт вода удаляется из забоя выработки проходческими электрическими или пневматическими насосами по трубопроводам.

5. Способы и средства ведения проходческих работ при строительстве метрополитена в г. Москве

Метрополитен — скоростной городской транспорт, линии которого проложены в подземных тоннелях на мелком или глубоком заложении, по поверхности земли, на эстакадах и путепроводах. Существуют два основных способа строительства тоннелей и станций метро: закрытый (подземный) и открытый.

Открытый способ применяется при строительстве линий мелкого заложения. Работы ведутся в котловане или траншее, которые после сооружения обделки засыпают грунтом. В условиях плотной городской застройки для укрепления котлованов применяются конструкции типа «стена в грунте» либо буросекущие сваи с анкерным или расстрельным креплением.

При закрытом способе все работы ведутся под землей — они не мешают уличному движению и не затрагивают существующих городских коммуникаций. Очевидно, что любые крупные работы в центре Москвы можно вести только закрытым способом. Для доставки в строящийся тоннель людей, машин и материалов создаются шахтные стволы, оборудованные подъемниками. Здесь же на поверхность поднимают отработанный грунт.

Чаще всего станции метрополитена строят открытым способом, а перегоны между ними — закрытым.

Разработка грунта и возведение обделки осуществляется различными методами. Буровзрывной метод основан на разрушении грунта зарядами взрывчатки, заложенными в заранее пробуренные шпуры. Затем грунт выбирается из забоя породопогрузочными машинами, а чугунная или железобетонная обделка монтируется специальными укладчиками.

Новоавстрийский способ предполагает возведение первичной обделки тоннеля из набрызг-бетона и вторичной — из монолитного железобетона с применением передвижной опалубки. Сам тоннель строится буровзрывным способом или комбайнами.

При сооружении тоннелей тоннелепроходческими механизированными комплексами (ТПМК) с активным пригрузом забоя используются щиты с роторными рабочими органами, оборудованными шарошками и резцами для разработки грунта. В сложных условиях применяются ТПМК с активным пригрузом забоя. На забой давит бентонитовый раствор (гидропригруз) или измельченный грунт (грунтопригруз).

Монтаж водонепроницаемой высокоточной железобетонной обделки осуществляется укладчиком в составе ТПМК.

Сборная тоннельная отделка из чугунных тюбингов:

5.1.Чугунный тюбинг

Число элементов в кольце зависит от его диаметра и конструкции обделки. Для перегонных тоннелей метрополитена приняты стандартные размеры колец из чугунных тюбингов: ширина (измеряется вдоль тоннеля) 1 м, наружный диаметр 5,5 м, внутренний диаметр 5,1 м, высота бортов 0,2 м.

Когда гидрогеологические условия в районе будущего подземного сооружения не позволяют построить его обычными способами, применяются специальные методы закрепления грунтов.

Самым распространенным и проверенным способом закрепления неустойчивых грунтов является их заморозка. Она применялась еще на строительстве первых линий метрополитена. Грунты замораживаются посредством контакта с хладоносителем, циркулирующим в замораживающих колонках, которые объединены в общую сеть. В результате замораживания создается устойчивый грунтовый массив.

Метод струйной цементации грунтов заключается в пропитке и перемешивании грунта с цементным раствором. В результате образуется грунтоцементный массив, обладающий прочностными характеристиками, позволяющими вести проходческие работы.

5.2.Из чего состоит линия метро

Линия метро состоит из станций, перегонных тоннелей между ними, электродепо и технических сооружений. Депо находятся на поверхности, а поезда попадают в тоннели через специальные участки перехода, на которых пути спускаются под землю.

Схема расположения сооружений на участке линии метрополитена:

5.3.Глубина

Подземные станции «глубокого заложения» находятся на глубине свыше 15 метров. Построить их можно только закрытым способом. Самая глубокая станция московского метро — «Парк Победы» — расположена в 80-ти метрах от поверхности земли. Неглубокие станции «мелкого заложения» строятся в специально вырытых котлованах. Наземные станции обычно представляют собой крытые платформы, а надземные станции устраиваются на эстакадах. Если пассажирам нужно спуститься или подняться более чем на 4,5 метра, на станции устанавливаются эскалаторы.

Станции глубокого заложения связаны с поверхностью эскалаторами, которые находятся в наклонных тоннелях. Ось эскалаторного тоннеля почти всегда совпадает с продольной осью самой станции, а его наклон к поверхности составляет 30 градусов. Внутри монтируют три или четыре эскалатора.

В верхней части эскалаторного тоннеля, под полом вестибюля, находится машинное отделение. Здесь размещают двигатели эскалаторов. Внизу, под уровнем платформы станции, находится натяжная камера. В ней расположены механизмы, натягивающие полотна эскалаторов.

Поскольку наклонные тоннели проходят через разнородные грунты, их сооружают с обделкой из чугунных или бетонных тюбингов.

5.4. Станции

В московском метро более распространены трехпролетные станции, которые состоят из центрального и двух боковых залов. На двухпролетных станциях колонны расположены по центру платформы либо между путями, если платформ две. Однопролетные станции (чаще всего неглубокого заложения) состоят из одного зала со сводчатым или плоским потолком. При наличии трех и более путей, проложенных на одном уровне, на них сооружают многопролетные станции. В этом случае залы соединяются переходами.

Станция метро имеет один или несколько вестибюлей, которые могут быть подземными или располагаться на поверхности. Из вестибюля на станцию ведет наклонный эскалаторный тоннель.

Помещение станции состоит из проемной и глухой частей — с проходами между залами и без них соответственно. Под пассажирскими платформами находятся служебные коридоры. Внешние края станционных тоннелей прикрыты декоративными путевыми стенами. Между тюбингами тоннелей и путевыми стенами прокладываются кабели и другие коммуникации. Для их осмотра в путевых стенах через каждые 50 метров устроены специальные двери.

Над всеми подземными сооружениями станции устанавливают водоотводящие зонты. Это герметичные потолки, по которым просочившаяся вода стекает в специальные желоба, откуда ее откачивают насосами.

Трехсводчатые станции пилонного типа сооружают из чугунных или бетонных тюбингов. Такая станция состоит из трех параллельных тоннелей, расположенных на одном уровне. Центральный тоннель с платформенной частью станции может иметь больший диаметр, чем боковые тоннели, в которых проложены пути. Тоннели соединяются между собой проходами. Для их устройства в нормальные кольца среднего и боковых тоннелей монтируют специальные проемные рамы.

5.5.Платформы

На станции метро может быть до трех платформ. Наиболее распространены одноплатформенные станции, где пути проходят по краям широкой средней платформы. На двухплатформенных станциях пути расположены между боковыми платформами, а на трехплатформенных — между боковыми и средней.

Схема пилонной станции с железобетонной обделкой

и перекрытием проемов железобетонными балками:

При строительстве станции сначала сооружаются все тоннели, затем устанавливаются проемные рамы (или бетонируются перекрытия проходов). Только после этого проемы между тоннелями раскрываются.

Список литературы

1.              Брылов С.А. Горно-разведочные и буровзрывные работы / С.А. Брылов, Л.Г. Грабчак, В.И. Комащенко. Учебник для вузов. – М., Недра, 1989. – 287с.

2.              Советов Г.А. Основы бурения и горного дела / Г.А. Советов, Н.И. Жабин. –М.: Недра, 1991. – 368 с.

3.              Шехурдин В.К. Горное дело / В.К. Шехурдин, В.И. Несмотряев, П.И. Федоренко. Учебник для техникумов. – М.: Недра, 1987. – 440 с.

4.       Сайт «Мосметрострой»/технологии подземного строительства.

16