Комбинированные обделки туннелей представляют собой либо наружное монолитное бетонное кольцо с внутренней железоторкретной или стальной оболочкой, либо наружное сборное кольцо из железобетонных блоков с внутренней железобетонной или железоторкретной оболочкой.
Комбинированная обделка с внутренней стальной оболочкой используется тогда, когда невозможно применить какую-либо другую конструкцию. Остальные типы комбинированных обделок имеют преимущества по сравнению с однослойными обделками, поскольку позволяют осуществлять быстрое закрепление породы, а внутреннюю несущую конструкцию, воспринимающую внутреннее давление воды, возводить с некоторым отставанием от забоя. Последнее во многих случаях облегчает технологию строительства туннелей и компенсирует повышенную трудоемкость устройства комбинированной обделки по сравнению с однослойной конструкцией.
Обделку, состоящую из наружного монолитного бетонного и внутреннего железоторкретного кольца (торкретного покрытия, выполненного по арматуре), применяют в напорных туннелях, проходящих в трещиноватых породах средней крепости (f>4), которые характеризуются удельным коэффициентом отпора, достаточным для передачи значительной доли внутреннего давления окружающей породе [обычно Ко>2000 МН/м3 (200 кгс/см3)].
Толщину железоторкретного кольца принимают равной 6—12 см, выполняется оно в несколько слоев, причем арматура приваривается к анкерам, заделанным в бетонную обделку. Сцепление торкрета с бетоном должно быть достаточным, чтобы выдержать давление подземных вод при опорожненном туннеле. Трещины в железоторкрете, как правило, не допускаются даже при образовании сквозных трещин в бетонном кольце.
Армирование железоторкретного кольца производится с учетом технологии торкретирования. Целесообразно применение готовых сварных армосеток, прианкеренных к бетону. Шаг рабочей арматуры обычно не превышает 10 см, а распределительной 15 см. Диаметр арматуры составляет 10—16 мм. Во всех случаях минимальный процент армирования железоторкретного кольца должен приниматься не ниже 1 %. Толщина защитного слоя торкрета для арматуры железоторкретных оболочек составляет не менее 2 см в неагрессивной среде и 3 см в агрессивной.
В необходимых случаях производят затирку свежеуложенного торкрета, что позволяет снизить коэффициент шероховатости поверхности с 0,015—0,016 до 0,012—0,013. В этой связи весьма перспективным является применение разработанного Казахским филиалом института «Гидропроект» самоходного агрегата, обеспечивающего путем фрезерования создание ровной поверхности обделки кругового очертания после ее торкретирования.
Конструкцию туннеля, состоящую из наружной монолитной бетонной обделки и внутренней стальной оболочки, разрешается предусматривать в высоконапорных туннелях лишь в исключительных случаях при необходимости обеспечения водонепроницаемости туннеля. В большинстве случаев эту конструкцию применяют при давлении более 1,0 МПа в породах ниже средней крепости и на протяженных участках зон тектонического нарушения. Оболочка выполняется из стальных листов марок 09Г2С, МС9 толщиной обычно от 10 до 40 мм (в зависимости от диаметра и давления). Длина листа 7—8 м, ширина до 2,5 м. Минимальная толщина стальных листов δ в зависимости от диаметра, оболочки D принимается следующей:
D, м ... 4 4,5—9 10—12 13
δ, мм 10 12—14 16—20 24.
Листы сваривают между собой с применением автоматической сварки под слоем флюса, а при толщине листа более 20 мм — с применением электрошлаковой сварки. Сваренные листы образуют обечайку, ширина которой составляет обычно 1,5—2,5 м. Обечайки, сваренные друг с другом, образуют монтажные звенья длиной 5—12 м в зависимости от диаметра туннеля.
Если несущая способность гладкой оболочки при давлении подземных вод после опорожнения туннеля недостаточна, то оболочку усиливают наружными кольцевыми ребрами жесткости из полосы толщиной 20—30 мм и высотой 200—400 мм (по расчету). Расстояние между ребрами жесткости также определяется расчетом в зависимости от радиуса сечения туннеля в свету 0,3rвн<i<(1-2)rвн. Для обеспечения жесткости оболочки при монтаже и бетонировании предусматриваются внутренние разборные раскрепления.
После установки звеньев на месте производится сварка монтажных (кольцевых) швов. Обычно при толщинах стали до 30 мм применяется односторонняя сварка, при больших толщинах — двусторонняя. В туннелях минимальный зазор между оболочкой (ребрами жесткости) и выработкой при односторонней сварке равен 20 см, а при двусторонней сварке — 80 см, кроме нижней части, где зазор составляет 50 см. В настоящее время ведется разработка метода односторонней сварки, позволяющей сваривать оболочки толщиной 40 мм и более.
Заполнение затрубного пространства производится пластичным бетоном. В последнее время начали применять также литой бетон с добавками бентонита, кремнегеля.
На участках расположения затворов туннели имеют, как правило, некруглую форму поперечного сечения и облицованы стальной оболочкой. Конструкция эта чрезвычайно материалоемкая и трудоемкая в исполнении, поэтому ее применение является вынужденным решением при наличии высокого давления подземных вод, значительных пульсационных нагрузок и других чрезвычайных случаев.
Подавляющее большинство шахтных напорных водоводов (вертикальных или наклонных), а также нижняя часть стволов уравнительных резервуаров имеют обделку, выполненную в виде обетонированной стальной оболочки. В облицовке устраивают отверстия для нагнетания цементного раствора. Бетонирование затрубного пространства в шахтных напорных водоводах ведется, как правило, гравитационным способом с применением литого бетона. Толщина затрубного пространства равна 30—40 см при односторонней сварке и 50 см при двусторонней.
В породах, способных воспринимать полное внутреннее давление воды, целесообразно в шахтных водоводах предусматривать тонкие облицовки, обладающие большой деформативностью, что обеспечивает максимальное вовлечение в работу горного массива. Имеется, например, предложение Средазгидропроекта и ГрузНИИЭГС по конструкции обделки водовода, способной передавать полное внутреннее давление воды на породу. Она выполнена в виде обделки со стальной облицовкой, снабженной продольными волнообразными углублениями (гофрами). Основным недостатком гофрированной облицовки является ее слабая сопротивляемость воздействию подземных вод.
Наиболее сложным элементом трубопровода являются развилки. При больших напорах и диаметрах трубопроводов приходится применять высокопрочную сталь или переходить на сталежелезобетонные конструкции, так как развилки обычно рассчитывают без учета отпора породы.
Комбинированные обделки, как отмечалось выше, могут быть выполнены с наружным не только монолитным, но и сборным кольцом. Характерная конструкция сборной обделки туннеля из 8 блоков толщиной 20 см с внутренней железобетонной оболочкой применена, например, в двух безнапорных туннелях длиной по 3,3 км на канале Днепр—Донбасс. Туннели проходят в обводненных глинистых грунтах, давление набухания в которых составляет от 0,15 до 0,6 МПа. Оболочка толщиной 14 см выполняется из бетона марки 300 В-8 и армирована шестью стержнями диаметром 20 мм на 1 м.
В напорных туннелях комбинированные обделки с наружными кольцами из сборных блоков, как правило, не применяют из-за опасения, что под действием внутреннего давления воды блоки разойдутся и в местах их стыков в тонкостенной конструкции из железоторкрета или железобетона смогут образоваться трещины недопустимых размеров. В безнапорных туннелях, проходимых щитовым способом в слабых породах, целесообразно применять сборную обделку из железобетонных блоков с внутренней оболочкой из железоторкрета. В связи с тем, что на стыках смежных блоков обделки в процессе монтажа образуются уступы высотой до 5—7 см, средняя толщина торкретного покрытия достигает 10 см.
Если давление подземных вод превышает 1,0 МПа, то во избежание отслоения торкрета от сборного бетона необходимо анкеровать арматуру в блоки и предусматривать меры по снижению внешнего давления воды на обделку путем применения дренажа или цементации породы. При отсутствии подземных вод вместо несущего железоторкретного кольца можно ограничиться торкретным покрытием толщиной 4—6 см по легкой арматурной сетке.
Применение для наружных колец комбинированных обделок туннелей сборных блоков имеет значительное преимущество по сравнению с монолитным бетоном в части перехода на индустриальный процесс, повышения уровня механизации строительства, а также более высокого качества обделки, собираемой из элементов заводского изготовления. Сборные обделки позволяют увеличить скорость сооружения туннеля, особенно при проходке механизированными щитами.
В качестве наружного сборного кольца может быть использована, в частности, наиболее распространенная в практике Московского метростроя шарнирная унифицированная обделка диаметром 5,6 м из железобетонных блоков толщиной 20 см с гладкой внутренней поверхностью. Блоки шириной 1 м выполнены из бетона марки 400. Сопряжение блоков осуществляется по криволинейным цилиндрическим поверхностям: на одном торце блока выпуклой, на другом — вогнутой. Наличие шарниров приводит к образованию моментов одного знака, что гарантирует отсутствие растяжения с внутренней стороны блоков. Обделка рассчитана на внешнюю нагрузку до 0,4 МПа. Однако стендовые испытания такой обделки показали, что несущая способность ее значительно выше (около 1,0 МПа).
Наружное блочное кольцо толщиной 15 см и диаметром 5,6 м может быть также выполнено из сборной обделки конструкции Ленметропроекта. В особо слабых породах применяют сборное блочное кольцо, рассчитанное на горное давление 2—3 МПа. Толщина блоков в этих случаях достигает 50 см, как это принято на отдельных участках безнапорного туннеля, предназначенного для переброски части стока р. Арпы в оз. Севан. В качестве наружного кольца может быть применена также обделка из железобетонных или чугунных тюбингов. Заполнение тюбингов (для обеспечения условий эксплуатации) осуществляется монолитным бетоном или возводится внутреннее железобетонное кольцо.
