Глава шестнадцатая
ПОДЗЕМНЫЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ
16.1. Общие положения
Для современных отечественных гидроузлов с подземными гидротехническими сооружениями характерно наличие сложнейшего комплекса самых различных по виду, назначению и характеру работы сооружений, располагаемых на разных отметках, примыкающих друг к другу под разными углами и имеющих разнообразные формы поперечного сечения и размеры (рис. 16.1).
Строительство гидротехнических туннелей в Советском Союзе ведется уже 50 лет, начиная с Дзорагетской ГЭС в Армении. К настоящему времени построено и эксплуатируется около 350 км туннелей и 9 гидроэлектростанций общей мощностью 2,5 млн. кВт с подземными машинными залами; на многих гидроузлах выполнены значительные объемы подземных работ. Так, на строительстве Ингурской и Нурекской ГЭС было разработано приблизительно по 3 млн. м3 подземной скальной выломки и уложено более чем по 1 млн. м3 подземного бетона и железобетона; на строящейся Рогунской ГЭС объемы подземных работ составляют: выломки — около 6 млн. м3, бетона — 2,5 млн. м3, туннельной проходки — более 50 км.
Рис. 16.1. Схема подземных сооружений гидроэлектростанции.
1 — временный подводящий туннель; 2 — щитовое помещение; 3 — транспортные туннели; 4 — временные напорные водоводы; 5 — напорные водоводы; 6 — дренажные штолmни; 7 — машинный зал; 8 — отсасывающие трубы; 9 — шинные галереи; 10 — шахты; 11 — подходные выработки.
В последнее время в СССР разработаны и внедрены различные методы строительства туннелей на полное сечение, а для крупных выработок — нижним уступом; бескопровый метод проходки механизированными комплексами вертикальных и наклонных стволов; широко применяется экономичная крепь из анкеров и набрызгбетона; используется самоходное буровое и погрузочно-транспортное оборудование, передвижные опалубочные агрегаты, подвесные каркасные опалубки с металлической сеткой; начато внедрение глубоких предварительно напряженных анкеров и пр. Созданы новые облегченные конструкции туннельных обделок из набрызгбетона с укрепительной цементацией породы, дренированные прианкеренные обделки, применяется гравитационный метод бетонирования шахтных трубопроводов литым бетоном, завершены исследования ряда новых подземных конструкций.
На основе теоретических и экспериментальных исследований, а также обобщения передового опыта в последние годы разработан и утвержден Госстроем СССР, Минэнерго СССР и Госгортехнадзором СССР ряд новых прогрессивных нормативных документов и рекомендаций по проектированию и строительству подземных гидротехнических сооружений. Переход на новые нормативы существенно снизил материалоемкость проектируемых и возводимых ныне подземных конструкций.
В последние годы установлены основные направления совершенствования подземного гидростроительства. Подобраны проходческие и бетонные комплексы для горного способа работ, составленные из лучшего отечественного оборудования, серийно выпускаемого или намеченного к выпуску в ближайшие годы, и выявлена потребность в этом оборудовании по годам. Для ускорения строительства туннелей рекомендовано применение серийных механизированных щитов и комбайнов (ММЩ-1, КТ-1-5,6, 4ПП-5), а также изготовление запроектированных институтом «Гидропроект» комбайнов (АФП-1, ГТК-16). Как показали расчеты, применение комбайнов типа АФП-1 на строительстве деривационного туннеля Зарамагской ГЭС по сравнению с горным способом проходки может ускорить окончание работ на 1 год, сократить затраты труда в 1,5 раза, сэкономить 18 тыс. м3 бетона и 500 т металла, общий экономический эффект при этом может составить 6 млн. руб.
При горном способе работ совершенствование технологии строительства подземных сооружений намечено осуществлять по пути сокращения числа стадий разработки поперечного сечения туннелей и камерных выработок, максимального совмещения операций в проходческом цикле, а также путем повышения механовооруженности производственных процессов.
Наиболее перспективными направлениями совершенствования подземных конструкций являются вовлечение в работу горного массива, окружающего обделку, в частности, за счет применения облегченных конструкций, а также более широкое применение сборных унифицированных конструкций с индустриализацией их изготовления и монтажа в подземных выработках.
Реализация всех намеченных решений позволит в 2 раза повысить средние темпы проходки туннелей и бетонных работ.
16.2. Обделки гидротехнических туннелей и шахтных трубопроводов
16.2.1. Основные положения
Сложные природные условия возведения туннелей в сочетании с различными режимами их работы привели к большому разнообразию конструкций обделок этих туннелей.
Обделки гидротехнических туннелей могут быть трещиностойкими или нетрещиностойкими, в которых допускаются трещины ограниченного раскрытия (0,1—0,5 мм); в последние годы преимущественное распространение получили нетрещиностойкие обделки, рассчитанные по раскрытию трещин. Трещиностойкие обделки напорных туннелей в настоящее время применяют лишь в следующих случаях: при расположении туннелей в породах, подверженных суффозии и выщелачиванию; если вода — среда характеризуется гидрокарбонатной щелочностью менее 0,25 мг-экв/л; если по энергоэкономическим соображениям недопустимы потери воды из туннеля. Обделки безнапорных туннелей проектируют, как правило, нетрещиностойкими.
Статические расчеты обделок гидротехнических туннелей и шахтных трубопроводов выполняются по методу предельных состояний. Расчетным случаем является разрушение обделки, происходящее из-за увеличения нагрузки и вследствие совпадения ряда неблагоприятных факторов (пониженное качество материалов, неблагоприятные условия работы конструкций и т. п.). Расчет по предельному состоянию позволяет гарантировать, что наибольшая возможная (с учетом перегрузки) нагрузка будет меньше, чем наименьшая возможная несущая способность конструкции.
Расчеты обделок гидротехнических туннелей и трубопроводов производятся по несущей способности на прочность с проверкой устойчивости и формы конструкции (первая группа предельных состояний), по раскрытию трещин или по образованию трещин, если они не допускаются (вторая группа предельных состояний). При расчетах вводятся коэффициенты запаса, учитывающие возможные отклонения нагрузки и воздействий от нормативных значений, отражающие особенности работы конструкции и породы, а также учитывающие ответственность сооружений и вид сочетаний нагрузки. Численные значения этих коэффициентов, приведенные в СН 238-73, СНиП П-16-76 и П-56-77, выбраны в результате анализа работ существующих туннелей и, по-видимому, будут со временем уточняться.
Для расчета обделок на статические и динамические нагрузки применяют различные методы, которые можно разделить на три группы по характеру учета взаимодействия между обделкой и породой:
взаимодействие не учитывается, обделка рассчитывается на заданные нагрузки;
нагрузка от породы разделяется на активную и пассивную (отпор), горное давление считается заданным и отпор определяется расчетом в зависимости от соотношения деформационных характеристик обделки и породы;
нагрузка на обделку не задается, а определяется в результате решения контактной задачи о взаимодействии обделки и массива горных пород.
Расчеты обделок, как правило, проводят с использованием ЭВМ. Наибольшее распространение имеет расчет обделок по схеме стержневой конструкции, когда окружающая порода — среда представляется в виде отдельных упругих опор, а нагрузки приводятся к сосредоточенным силам, приложенным в узловых точках схем. Ряд программ позволяют определить участки периметра обделки, где отсутствует отпор породы («зону отлипания»), и в результате расчета на ЭВМ получить значение изгибающих моментов и продольных сил в обделке. В настоящее время в НИС Гидропроекта осуществляется автоматизация расчетов, в результате которой усилия в обделке выдаются в виде эпюр графопостроителем ЭВМ. Также на ЭВМ для напорных туннелей определяется картина трещинообразования в породе и обделке под действием внешних нагрузок.
Для расчета подземных сооружений наиболее общим является метод конечных элементов, который позволяет учесть реальный рельеф поверхности, напряженное состояние породы, наличие крупных трещин и другую неоднородность горного массива. Метод целесообразен для расчета крупных туннелей, близко расположенных туннелей, а также для других ответственных туннельных сооружений.
При сложных инженерно-геологических и топографических условиях, для близко расположенных туннелей, а также для туннелей большого сечения наряду с расчетами обделок проводятся экспериментальные исследования конструкций на моделях из эквивалентных материалов.
Обделки туннелей, рассчитанные по раскрытию трещин, благодаря большему вовлечению в работу окружающего горного массива и более полному использованию арматуры, оказываются тоньше трещиностойких обделок. Толщину обделки ho6 обычно принимают в зависимости от внутреннего радиуса сечения туннеля rвн. При rвн=1,5:2; 2,5:4; 4,5 и более отношение hoбlrвн должно составлять соответственно 0,2; 0,15; 0,13. В относительно прочных малотрещиноватых породах или при условии проведения укрепительной цементации породы отношение hoбlrвн при диаметрах туннелей 7 м и более принимают равным 0,12, а в отдельных случаях доводят до 0,1.
Если для трещиностойких обделок напорных туннелей требуется увеличение их толщины, то можно без изменения принятой толщины предусмотреть укрепительную цементацию породы (повысив тем самым ее модуль деформации) или, наоборот, применить бетон обделки с более низким модулем деформации. Для безнапорных туннелей при необходимости увеличения толщины обделок по условию прочности имеется возможность повысить марку бетона или процент армирования, сохранив толщину в пределах, приведенных выше. Минимальная толщина обделки гидротехнического туннеля составляет: для монолитных бетонных и железобетонных обделок с однорядной арматурой 20 см, с двухрядной арматурой 25 см; для обделок из набрызгбетона 10 см; для внутреннего железоторкретного кольца 5 см; для сборных железобетонных обделок 12 см.
После возведения монолитных обделок (кроме обделок из набрызгбетона и прессованного бетона) производится заполнительная цементация (в основном, в пределах сводовой части) в целях заполнения отдельных полостей и крупных трещин в породе вблизи обделки, зазоров между обделкой и породой, а также для создания плотного и непрерывного контакта, обеспечивающего равномерную передачу нагрузок (от породы на обделку и от обделки на породу) и совместность работы породы и обделки. Состав раствора для заполнительной цементации подбирается из условия технологичности и требуемой прочности цементно-песчаного камня. Прочность на сжатие цементно-песчаного камня безнапорных туннелей принимается не ниже 1,5 МПа; для напорных туннелей — не ниже 0,01 Ко, где Ко — коэффициент удельного отпора для породы, Н/м3.
