16.2.2. Туннели необлицованные и с обделками из набрызгбетона
Во всех странах мира в настоящее время стремятся переходить на туннели без обделки в тех случаях, когда обеспечивается безопасность их строительства и эксплуатации. Это вызвано тем, что применение необлицованных выработок позволяет на 20—30% снизить стоимость и на 10—15% сократить срок их строительства по сравнению с облицованными туннелями, сооружаемыми в тех же условиях, причем для коротких туннелей эти преимущества оказываются более значительными.
В отечественной практике имеются примеры, когда гидротехнические туннели, располагаемые преимущественно в прочных слаботрещиноватых скальных породах, характеризуемых коэффициентом крепости по Протодьяконову 8, оставлены без обделки, в частности, туннели различного назначения Верхнетуломской, Усть-Хантайской, Борисоглебской ГЭС пролетом 10—15 м.
Ограничение пород по трещиноватости вызвано условием недопущения существенных фильтрационных потерь воды из туннеля, а также требованием устойчивости пород при вымыве заполнителя трещин. При проектировании необлицованных гидротехнических туннелей обычно исходят из условия, что окружающие породы должны быть водостойкими, т. е. неразмываемыми, и не увеличиваться в объеме. Вечномерзлые скальные породы не должны терять устойчивости при изменении температурного режима, в частности при пропуске воды по туннелю.
Принятию решения об оставлении гидротехнического туннеля необлицованным должны предшествовать тщательные инженерно-геологические изыскания. Нельзя, например, оставлять без обделки участки туннеля, проходящие через разломы и тектонические зоны; также должны быть закреплены места с потенциально возможными крупными вывалами вследствие неблагоприятного расположения систем трещин. Несоблюдение этих требований в ряде случаев приводило к авариям в процессе эксплуатации туннелей.
Для необлицованных безнапорных гидротехнических туннелей скорость движения воды в общем случае не должна превышать 10 м/с. Расчеты показывают, что при высоте породных выступов до 30 см можно допустить скорость 12—14 м/с без опасения, что возникнут кавитационные разрушения. Очевидно, что при скорости воды выше 10 м/с возможность применения необлицованных туннелей необходимо обосновывать специальными расчетами и лабораторными исследованиями.
Напорные туннели разрешается проектировать без обделки при условии, что глубина их заложения под дневную поверхность составляет не менее половины внутреннего давления воды, выраженного в метрах. Несоблюдение этого требования может привести к прорыву воды из туннеля по трещинам в породе, образовавшимся после работы туннеля в эксплуатационном режиме.
Как для безнапорных, так и для напорных необлицованных туннелей особое значение приобретают меры для снижения шероховатости скальной породы. При обычном способе взрывания высота выступа породы составляет в среднем 20—40 см, достигая в отдельных случаях 50—60 см, и коэффициент шероховатости при этом равен 0,035—0,040. При контурном взрывании выступы сокращаются в 1,5—2 раза, а коэффициент шероховатости составляет уже 0,025—0,030. При покрытии поверхности набрызгбетоном этот коэффициент снижается до 0,018— 0,023; при применении комбайнового способа проходки он составляет не более 0,016—0,018.
Следует отметить, что способ производства работ оказывает большое влияние на образование и развитие трещин в породе вокруг выработки, а следовательно, и на параметры крепления. Обычно необлицованные туннели проходят с применением контурного взрывания или комбайновым способом. Одной из мер по снижению шероховатости внутренней поверхности туннеля и улучшению гидравлического режима его работы является устройство бетонного плоского лотка толщиной 20—40 см, который при наличии противодавления воды армируют и анкеруют в скалу.
В породах прочных, но трещиноватых, применяют выравнивающие набрызгбетонные обделки. Наиболее часто встречающаяся конструкция нетрещиностойкой обделки туннелей из набрызгбетона представляет собой покрытие по породе толщиной 6—8 см, обычно применяемое в сочетании с анкерной крепью. В нарушенных породах для возведения обделки толщиной 10—15 см сначала наносят покрытие породы из набрызгбетона толщиной 5—7 см, затем устанавливают на анкерах металлическую сетку, на которую повторно наносят покрытие из набрызгбетона, и доводят толщину обделки до проектной.
Рис. 16.2. Обделка из набрызгбетона в туннеле Курпсайской ГЭС.
1 — обделка из набрызгбетона; 2—анкеры; 3 — шпуровой дренаж; 4 — лоток.
Главными достоинствами подобных обделок является их высокая несущая способность, сочетание в одной конструкции как временной, так и постоянной крепи, а также возможность ускоренного возведения за счет обеспечения механизации и частичной автоматизации процесса нанесения набрызгбетона. Технико-экономический анализ показывает, что сооружение обделки из набрызгбетона обходится примерно в 2 раза дешевле, чем бетонной обделки, при этом трудоемкость работ сокращается также в 2 раза.
Обделки из набрызгбетона широко распространены как в Советском Союзе, так и за рубежом, главным образом при креплении различных горных выработок, транспортных туннелей и камер при разработке полезных ископаемых.. В этих условиях обделки из набрызгбетона применяют не только в качестве выравнивающих и предохраняющих породу от выветривания, но и в целях восприятия внешних нагрузок.
Развитию набрызгбетонных обделок будет способствовать применение агрегатов, позволяющих механизировать я автоматизировать процесс набрызга и создавать несущие обделки из набрызгбетона, имеющие геометрически ровную внутреннюю поверхность. Работы в этом направлении ведет ряд организаций, в частности. Казахский филиал института «Гидропроект».
Покрытие из набрызгбетона в качестве эксплуатационной обделки гидротехнических туннелей-водоводов имеет значительно меньшее распространение из-за недостаточной проверки надежности такой конструкции под действием потока воды. В СССР набрызгобетонные обделки (как правило, в сочетании с анкерами) были сооружены на ряде гидротехнических туннелей, в том числе для водоснабжения Ялты, в левобережном строительном туннеле Токтогульской ГЭС, в туннеле для пропуска расхода меженных вод на Байпазинском гидроузле, в дренажных штольнях Капчагайской, и Ингурской ГЭС и на некоторых других водоводах. Во всех этих туннелях лоток был выполнен из бетона.
На Курпсайской ГЭС для пропуска строительных расходов применен туннель корытообразного очертания общей длиной 634 м и площадью поперечного сечения 100—107 м2 (рис. 16.2). Длина участков с набрызгобетонной обделкой составляет 372 м. Лоток туннеля толщиной 40 см прианкерен к основанию. Туннель проходит в переслаивающихся песчаниках и аргиллитах, имеющих тектонические трещины, заполненные глинкой трения. Коэффициент крепости породы f=l-8, набрызгбетон применен в породах с f=4-8, а на длине участка примерно 90 м с f = 3 при этом толщина обделки в зависимости от состояния породы составляет по своду 6—8 см, по стенам 8—14 см. При расходе воды до 400 м3/с туннель работает в безнапорном режиме, от 400 до 700 м3/с — в переменных режимах, а от 700 до 1100 м3/с — в напорном режиме. Внутреннее давление воды до 0,3 МПа, внешнее (остаточное после дренажа) 0,06 МПа.
При возведении набрызгбетонной обделки в туннеле Курпсайской ГЭС соблюдались следующие условия:
перед нанесением набрызгбетона породу тщательно расчищали до здоровой скалы и промывали;
сопряжение стен из набрызгбетона с бетонным лотком, а также сопряжение свода и стен из набрызгбетона с участками обделки из бетона и железобетона выполняли плавным с уклоном 1:3 при толщине набрызгбетона не менее 10 см. Отдельные крупные выступы породы сбивали, глубокие впадины заглаживали, поверхность по возможности выравнивали, чтобы перепад высот контура выработки на смежных участках не превышал 15 см;
в местах сильнотрещиноватой породы набрызгбетон наносили по металлической сетке, прианкеренной к породе;
все выступающие из покрытия анкера или отрезки арматуры срезали, поскольку при движении воды по туннелю они могли оказаться источником разрушения набрызгбетона под действием вибрации.
Кубиковая прочность набрызгбетона на 28-е сутки составляла около 30,0 МПа, сцепление с сохранными породами 0,6 МПа, а с трещиноватыми породами 0,4 МПа.
Применение в туннеле Курпсайской ГЭС обделки из набрызгбетона позволило на полгода ранее намеченного срока приступить к основным работам по сооружению бетонной плотины.
Как показывает опыт, применение набрызгбетона позволяет надежно закрепить поверхность туннеля без опалубки, создать прочную конструкцию в сочетании с анкерами, что целесообразно использовать в туннелях, пройденных с применением контурного взрывания в трещиноватых, устойчивых, выветривающихся скальных породах, характеризуемых коэффициентом крепости f>4.
Обделки из набрызгбетона толщиной 8—15 см без выравнивания и заглаживания их поверхности целесообразно применять как в напорных, так и безнапорных туннелях при скоростях воды в туннеле обычно не более 10 м/с; при больших скоростях их применение рекомендуется обосновывать данными лабораторных исследований. Во избежание прорыва воды обделки из набрызгбетона в напорных туннелях допускается применять при глубине заложения туннеля не менее половины значения внутреннего давления, выраженного в метрах. На участках туннелей, проходящих в нарушенных и тектонических зонах с сильнотрещиноватыми породами, применение набрызгбетона ненадежно и на таких участках применяют бетонные и железобетонные обделки.
Сцепление набрызгбетона с породой определяется с учетом двух условий: оно не должно быть ниже 0,5 МПа и должно в 2 раза превышать остаточное давление грунтовых вод, действующее на обделку при опорожнении туннеля. Проектная марка набрызгбетона по прочности на осевое растяжение в возрасте 180 сут назначается не ниже марки Р25, что для набрызгбетона соответствует проектной марке бетона 300 (согласно СНиП 11-56-77 марке 400 соответствует марка Р30).
