При встрече на трассе канала возвышенности иногда представляется более целесообразным и экономичным вместо обхода возвышенности лотками устройство под ней туннеля. На рисунке 5—31 показан вход оросительного канала в безнапорный туннель, проложенный под высоким правым берегом Терека.
Туннелем называется гидротехническое сооружение в виде закрытого водовода, устроенного в земле без вскрытия лежащего над ним грунта.
Гидротехнические туннели можно классифицировать по водохозяйственному назначению и по гидравлическим условиям их работы.
Согласно первому признаку, туннели делятся на подводящие, отводящие и транспортные.
К подводящим туннелям относятся оросительные, гидроэнергетические и водоснабженческие. К отводящим относятся сбросные, строительные канализационные, дренажные и гидроэнергетические. К транспортным относятся судоходные и лесосплавные. Согласно второму признаку туннели могут быть безнапорными и напорными.
Рис. 5—31. Вход оросительного канала в туннель.
В напорных все сечение туннеля заполнено водой, а в безнапорных движение воды в туннеле происходит при наличии свободной поверхности. Подводящие и отводящие туннели могут быть как напорными, так и безнапорными. Транспортные и канализационные туннели могут быть только безнапорными.
Выбор типа туннеля может быть сделан только после сопоставления условий, связанных с возведением и работой напорного и безнапорного туннелей. Как общее правило, следует указать, что напорные туннели предпочтительнее безнапорных при значительных колебаниях расходов воды. Облицовка напорных туннелей, испытывающих дополнительное действие напора воды изнутри, более ответственна и дорога, чем облицовка безнапорных туннелей. Водоприемные сооружения безнапорных туннелей проще по своей конструкции, а следовательно, и дешевле, чем глубокие водоприемники напорных туннелей.
Возведение туннелей тесно связано с геологией и гидрогеологией. Геологические особенности района решающим образом влияют на выбор трассы туннеля, условия и сроки производства работ при его постройке, выбор конструкции облицовки туннеля, надежность его эксплуатации, стоимость и т. п. Многообразие естественных условий, сложность и малая изученность подземных явлений требуют глубокого, всестороннего анализа влияния инженерно-геологических особенностей района строительства на условия сооружения и службы туннелей.
При инженерно-геологических изысканиях возникает вопрос о горном давлении — важнейшем факторе, решающем многие задачи, связанные с производством работ и конструкцией туннелей. Большое значение имеет также освещение следующих вопросов: род, характер и состояние горных пород по трассе туннеля, интенсивность притока и состав грунтовых вод температура массива и грунтовых вод опасность встречи с газами и возможность сейсмических явлений, залегание горных пород (сбросов и сдвигов), угол падения и простирания пород, их трещиноватость. Так, сильная трещиноватость даже весьма крепких пород иногда представляет большую опасность для туннелей и особенно напорных.
Трассу туннеля можно правильно выбрать только на основе исчерпывающих данных инженерно-геологических, технических и экономических изысканий. При проектировании трассы следует руководствоваться следующими основными положениями.
- Трассу туннеля рекомендуется выбирать только после установления мест расположения его порталов (входного и выходного оголовков).
- Туннели длинные в большинстве случаев целесообразно проектировать по ломаной трассе, а короткие — по прямолинейной и разрабатывать двумя встречными забоями — от верхового и низового порталов.
- В целях сокращения вспомогательных выработок (штолен, шахт) трассу туннеля рекомендуется приближать к дневной поверхности.
- Штольни (окна и шахты) следует размещать в ложбинах и низинах, в устойчивых и маловодоносных породах, вблизи площадок, удобных для монтажа механических установок (вентиляционных, компрессорных, водоотливных и др.), имеет, пригодных для отвала породы, вывозимой из туннеля.
- Рекомендуется избегать прокладки трассы туннеля на косогорных участках горных массивов, пласты которых падают к долине и пересекают ее склон.
- Нельзя трассу располагать в оползневых участках горных массивов.
- Угол между направлением простирания пластов горных пород и осью трассы туннеля должен быть по возможности большим (что определяет меньшее горное давление), в особенности ври породах менее прочных, с большим горным давлением. Трасса туннеля устанавливается путем технико-экономического сопоставления возможных вариантов ее.
Породы, залегающие в горном массиве на различных глубинах, под действием веса вышележащих слоев, а также вследствие тектонических процессов, происходящих в массиве, находятся постоянно в напряженном состоянии. С прокладкой туннеля в породах возникают местные видоизменения напряжений. Создающееся по этой причине в породах, окружающих туннель, напряженное состояние проявляется в виде горного давления, воспринимаемого крепью и облицовкой туннеля.
Горное давление является одним из основных и решающих факторов, влияющих па выбор трассы туннеля, конструкцию его облицовки, способ производства работ и условия всей службы туннеля в период эксплуатации. Вследствие этого изучение явления горного давления и определение его величины в туннельной практике приобретает особо важное значение.
Изучением величины горного давления занимались многие ученые. Одни из них рассматривали горные породы как сыпучие, другие считали их вполне упругими, твердыми телами. Одни предполагали образование свода над выломкой, другие строили свои выводы на предположении об опускании в выломку некотором части породы, находящейся над нею.
В туннельной практике СССР наибольшее применение для определения величины горного давления получили формулы проф. Μ. М. Протодьяконова3, основанные на допущениях, что горные породы следует рассматривать не в виде сплошных упругих тел, а как отдельные куски и глыбы, разбитые трещиноватостью, слоеватостью и отдельностями. В силу этого к ним можно применить обычный закон теории сыпучих тел с введением в него вместо настоящего коэффициента трения так называемого «кажущегося коэффициента трения», учитывающего, кроме сил трения, также и силы сцепления между отдельными частицами. Этот кажущийся коэффициент трения, по Μ. М. Протодьяконову, характеризует коэффициент крепости пород (их способность сопротивляться внешним усилиям).
В практических расчетах допускают, по Μ. М. Протодьяконову, возможность образования над плоской туннельной выработкой свода обрушения, принимаемого параболического очертания (рис. 5—32). Высоту свода обрушения в крепких породах находят из зависимости:
(5-8)
1 К. Μ. Xуберян. К вопросу проектирования железобетонных труб. «Гидротехническое строительство» № 8, 1957.
2 Предварительно напряженные железобетонные напорные трубы. Центр, ин-т информации но строительству. Стройиздат, М., 1952.
3 Μ. М. Протодьяконов. Давление горных пород и рудничное крепление. М., 1930.
где Η — высота свода обрушения в ключе;
l — пролет выработки в свету;
f — коэффициент крепости породы, характеризующий сопротивление породы сдвигу.
Рис. 5—32. Схемы горного давления по Μ. М. Протодьяконову:
а — крепкие породы; б — мягкие породы.
Величина вертикального горного давления Р на единицу длины туннельной выработки будет равна весу свода обрушения, т. е. равна площади параболы ЛОВ, умноженной на объемную массу породы в т/мл (км/м3):
Для значений коэффициентов крепости пород проф. Μ. М. Протодьяконовым составлена специальная таблица; в дальнейшем значения f уточнялись. В настоящее время рекомендуемые коэффициенты крепости горных пород представлены таблицей 5—12.
Давление горных пород на крепь и облицовку туннеля зависит от столь значительного числа самых разнообразных факторов и теоретически так трудно поддается определению, что приходится мириться с весьма приближенным значением его. Более точно величину горного давления можно определить только путем пробивки впереди забоя пробной штольни и измерения давления.
Из многочисленных способов экспериментального определения горного давления в настоящее время весьма удобным и точным является акустический метод проф. И. И. Давиденкова, заключающийся в измерении деформации элементов крепи или обделки с помощью специальных струнных тензометров, укрепляемых на испытуемом элементе.
Этим способом определялось горное давление в ряде туннелей, строившихся в СССР. Измерение рекомендуется производить в течение 8—10 дней после проходки и установки крепей с целью получения более надежных результатов.
Упругая сопротивляемость горных пород в условиях их естественного залегания определяется с помощью гидравлических домкратов, опорные площадки которых в этих случаях играют роль штампов.
Размеры и форма поперечных сечений туннелей определяются гпдравли ческими, статическими, экономическими, эксплуатационными условиями и способами производства работ.
Для безнапорных туннелей в зависимости от величины горного давления рекомендуют1 принимать следующие формы поперечного сечения (рис. 5—33):
Формы I1 и I2 — в случаях, когда туннель проходит в плотных и прочных скальных породах, без горного давления на облицовку;
формы II1 и II2 — в случаях, когда туннель проходит в породах с небольшим вертикальным горным давлением (f >3), при отсутствии бокового горного давления на облицовку;
формы III1 и III2 — в случаях проходки туннеля в породах с большим вертикальным и небольшим боковым горным давлением на облицовку (/ = 1,5-3);
формы IVt и IVг — в случаях проходки туннеля в породах с большим вертикальным и большим боковым горным давлением (f<1,5), а также в породах, оказывающих давление снизу;
круглую форму — при преимущественно значительном напоре грунтовых вод, а также при щитовом способе производства работ.
Формы I1, II1, III1, IV1 и применяются при незначительных колебаниях уровня воды в туннеле, а формы I2, II2, III2, IV2 — при значительных колебаниях его.
При любых формах очертания туннеля, в целях уменьшения потерь напора, рекомендуется резкие углы и сопряжения заменять более плавными. Сечение туннеля, развитое в ширину, встречается редко; чаще всего такое сечение обусловливается необходимостью укладки внутри туннеля двух или трех трубопроводов.
Сечение судоходных туннелей обусловливается габаритами пропускаемых судов и конструкцией бечевников. Сечение канализационных туннелей должно способствовать, при малых заполнениях, созданию достаточно больших скоростей, препятствующих выпадению осадков из канализационно-фекальных вод, вследствие чего большинство этих туннелей имеет круглое очертание.
Круглая форма поперечных сечений в гидравлическом отношении имеет некоторые преимущества (минимум смоченного периметра и максимум расхода), но в безнапорных туннелях она применяется только в случаях большого напора грунтовых вод и при щитовом способе проходки, а чаще всего имеет распространение в напорных туннелях, являясь наиболее рациональным поперечным сечением, так как лучше удовлетворяет условиям статической работы.
По условиям удобства производства работ сечение туннеля не рекомендуется принимать меньше 1,5 м ширины и 1,8 м высоты, хотя бы это сечение и было слишком большим для пропускаемого расхода. И, наконец, поперечное сечение туннеля должно быть экономически целесообразным, т. е. иметь минимальную строительную стоимость и минимум эксплуатационных затрат.
1 1 Н. Н. Давиденков. Струнный метод измерения деформаций. М., 1933; В. С. Жданова др. под редакцией Η. А. Ржаницына. Эксплуатация гидротехнических сооружений. Изд. «Речной транспорт», М., 1956, стр. 321.
2 Указания по проектированию гидротехнических туннелей. Госстрой СССР. СН 238-63. М, 1963.
Рис. 5—33. Поперечные сечения безнапорных туннелей.
Глубина наполнения сечения безнапорного туннеля водой не должна быть больше 0,85 h, где h — высота туннеля, т. с. запас над горизонтом воды в туннеле должен быть не менее 0,15 h и во всяком случае не меньше 0,4 м.
В целях удержания стенок и потолка выработки от обрушений, предохранения скалы от разрушающего действия воздуха и воды, а также для уменьшения шероховатости большинство туннелей, как безнапорных, так и напорных, делают с облицовкой. Только в исключительных случаях, в весьма устойчивых и водонепроницаемых породах, не требующих вовсе временных крепей при разработке, туннели устраивают необлицованными.
Выбор конструкций облицовки в каждом отдельном случае производят в соответствии с инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями трассы и в зависимости от размеров и формы поперечного сечения туннеля, условии его эксплуатации и условий производства работ по его проходке.
Облицовки из естественных камней (реже) или кирпичей (чаще) применяют в случаях вредных и опасных влияний на бетон агрессивных грунтовых вод или при необходимости включения облицовки в работу тотчас же после замыкания туннельного свода. Недостаток каменных облицовок обусловливается плохой работой их на растяжение. Шероховатость в таких облицовках уменьшают штукатуркой цементным раствором их внутренних поверхностей. В последнее время облицовки из кирпичной кладки стали усиливать с помощью стальной арматуры (армокирпичная кладка).
Бетонные облицовки применяют в плотных, мало деформируемых породах средней крепости и с умеренным горным давлением. Толщина их определяется в зависимости от упругих свойств породы, диаметра выработки и давления воды. При применении бетонных облицовок необходимо обеспечить плотное прилегание их к породе, что достигается нагнетанием под давлением от 5 до 10 атм цементного раствора или глинисто-цементного раствора за облицовку1. В целях повышения водонепроницаемости облицовки ее изнутри покрывают слоем цементной штукатурки толщиной в 1—2 см или торкрет-бетоном, а в некоторых случаях специальными составами сидоростена, инертоля и др.
Рис. 5—34. Поперечное сечение безнапорного туннеля.
Облицовка должна иметь повышенную водостойкость и водонепроницаемость, что достигается применением особо плотных бетонов со включением в их состав специальных вяжущих веществ и гидравлических добавок для лучшей сопротивляемости агрессивному действию грунтовых вод. В случае, если нагнетание не в состоянии гарантировать предохранение облицовки от грунтовых, агрессивно действующих на цементный раствор вод, прибегают к устройству дренажа как продольного, так и поперечного. Иногда в облицовке, главным образом напорных туннелей, устраивают от 3 до 6 радиальных швов (в зависимости от диаметра) с водонепроницаемыми уплотнениями в виде металлических пластинок, позади которых закладывают дренажные трубки для продольного отвода фильтрующейся воды.
На рисунке 5—34 представлена конструкция бетонной облицовки толщиной 60—80 см безнапорного туннеля Невинномысского оросительно-обводнительного канала, проложенного в тяжелых геологических условиях — на склонах оползневых грунтов. Облицовка имеет подковообразное поперечное сечение шириной 4,9 и высотой 5,25 рассчитанное на пропуск расхода 80 м3/сек. Уклон туннеля около 0,002 при скоростях в нем до 4,12 м/сек и глубинах наполнения до 4,48 м, длина около 5 км.
Железобетонные облицовки применяются в слабых породах, способных к вспучиванию и вдавливанию внутрь выломки и когда растягивающие напряжения в бетоне превосходят допускаемые. В целях предупреждения появления трещин в облицовках, в особенности в напорных туннелях, железобетон рассчитывают с учетом растяжения и на отсутствие опасности образования трещин.
1 В. Μ. Мостков. Нагнетание глинисто-цементных растворов за обделку гидро технических туннелей. ВНИИ Г, Л., 1951.
Достоинства железобетонных облицовок: небольшая толщина в сравнении с бетонными и каменными, большая сопротивляемость растягивающим усилиям и большая надежность в эксплуатации: к недостаткам относятся: сложность армирования и опасность коррозии металла при действии на него просачивающейся через бетон воды.
В случае особенно больших напоров, когда от облицовки требуется полная водонепроницаемость, даже в устойчивых и прочных породах прибегают к устройству металлических облицовок с наружным бетонным или железобетонным кольцом. Облицовки устраиваются из листовой стали толщиной 4—5 мм и более, из металлических волнистых и рифленых плит или из отдельно сбалчиваемых между собой чугунных сегментов.
Обычно размеры железобетонных облицовок напорных туннелей определяют из условий недопущения в бетоне трещин; при этом высокая прочность бетона на сжатие и арматуры на растяжение остаются неиспользованными, толщина облицовки получается значительной, что ведет к увеличению выработки и объема железобетона, т. е. к удорожанию строительства.
Рис. 5—35. Обжатая облицовка со сборным (а) и с монолитным (б) кольцом:
1 — порода; 2 — выравнивающий слой бетона; 3 — цементный раствор; 4 — сборная бетонная облицовка; 5 — монолитная бетонная облицовка.
По тем же причинам облицовка приобретает излишнюю жесткость, что ведет к уменьшению сил отпора породы, т. е. к ухудшению условий работы облицовок.
Уменьшенно толщины облицовок туннелей с одновременным повышением их трещи неустойчивости возможно при создании в облицовках предварительных сжимающих напряжений, по величине близких к расчетным растягивающим напряжениям в эксплуатационных условиях.
Начальные напряжения в облицовках могут быть созданы применением напряженно армированных облицовок и путем обжатия облицовок1.
Напряженно армированные трубы были рассмотрены ранее. Начальное напряженное состояние сжатия в облицовках напорных туннелей создается нагнетанием под давлением, в 1,5 раза превышающим будущий напор в туннеле, цементно-песчаных растворов за облицовку в специальный кольцевой зазор.
Облицовка может быть устроена из бетонных блоков или из цельного (монолитного) бетонного кольца; конструкция ее показана на рисунке 5—35. Снаружи укладывается выравнивающий поверхность выработки слой монолитного бетона; между ним и облицовкой оставляется сплошном кольцевой зазор толщиной 3—5 см; далее укладываются бетонные блоки, имеющие со стороны зазора шипы высотой 3—5 см.
В случае монолитного бетонного кольца облицовки зазор выкладывается пустотелыми блоками (допускающим в дальнейшем свободное нагнетание в них цементного раствора); на них кладется монолитный бетон и потом производятся нагнетание цементного раствора, чем достигается обжатие облицовки и окружающей ее достаточно прочной породы. Нередко, в особенности для напорных туннелей, применяется комбинированная (смешанная) облицовка, состоящая из двух колец: наружного, обычно бетопного, воспринимающего давление горных пород при работе туннеля как безнапорного, и внутреннего железоторкретного, служащего как для водонепроницаемости, так и для принятия совместно с бетоном внутреннего давления воды. Конструкция комбинированной облицовки имеет преимущества перед бетонной: повышенную прочность, лучшее сцепление с железом, водонепроницаемость, отсутствие необходимости в устройстве опалубки при возведении железоторкретного кольца.
Такая облицовка в напорном туннеле, диаметром 3,30 м показана ла рисунке 5—36. Внешнее кольцо облицовки состоит из бетона толщиной 4.0 см, а внутреннее — из железоторкрета толщиной 8 см. Нагнетание за облицовку цементного раствора производилось под давлением 6 атм. Комбинированная облицовка из бетонных блоков с лотком, выложенным из кирпичной кладки, применена в канализационном безнапорном туннеле диаметром 1 м. Применение более прочных, чем бетон, штучных камней в основании (дне) туннеля, а иногда и в нижней части стенок туннелей диктуется необходимостью предохранения облицовки от истирающего действия наносов. Это положение может иметь значение также и в оросительных туннелях. По своей стоимости комбинированные облицовки обычно дороже бетонных, по тем по менее для большей уверенности в бесперебойной работе лучше идти на некоторое удорожание, чем на частые ремонты в период эксплуатации.
В туннельном деле находят применение так называемые сборные облицовки, состоящие из отдельных бетонных и железобетонных блоков, соединенных между собой с помощью шипов (пазов) и гребней, устраиваемых в их боковых поверхностях.
Внутренняя поверхность облицовки покрывается слоем торкрета или штукатурки (меньшая шероховатость). Преимущества блочных сборных облицовок — заводское изготовление, а следовательно, лучшее качество бетона в блоках и меньшая его стоимость, сокращение сроков возведения туннеля, большая возможность применения механизации и пр. Особые преимущества получают блочные облицовки при прокладке туннелей в породах с большим горным давлением (могут заменить временные крепи) и в породах, содержащих агрессивные грунтовые воды, а также при щитовой проходке.
В бетонных и железобетонных облицовках по условиям производства работ прибегают к устройству продольных и поперечных рабочих швов и реже — конструктивных, причем расстояние между поперечными швами делается в пределах 6,5—8,0 м (в зависимости от длины кольца облицовки). Конструкция и число продольных швов зависят от очередности бетонирования отдельных элементов кольца.
Рис. 5—37. График для подбора толщины облицовки безнапорных туннелей.
Место, где кончается подходная к туннелю выемка и начинается сам туннель в лобовом откосе выемки, называется врезкой туннеля, а постоянное сооружение по обделке врезки — п о р т а л о м, или оголовком; в каждом туннеле имеются два портала; входной и выходной. Основными элементами портала являются портальная подпорная стенка для поддержания откоса горного массива, подпорные стенки, ограждающие боковые откосы врезки, и в некоторых случаях дополнительная стенка, служащая для направления течения к порталу и предупреждения от размыва косогорной части массива. Врезка является одним из ответственных мест при устройстве туннелей; от правильного выбора места врезки зависит устойчивость портала.
Размеры туннеля в основном определяются расчетным расходом, который может быть обеспечен при различных соотношениях двух главнейших гидравлических элементов: площади живого сечения и уклона (скорости). Для длинных туннелей площадь живого сечения и уклон (или скорость) определяются экономическим расчетом. В особенности такой расчет необходимо производить в деривационных туннелях гидростанций, где потери напора на трепне по длине, а также местные потери влекут за собой потери в выработке энергии самой станции. Нередко такой расчет применяется и при выборе размеров туннелей для водоснабжения. Самый принцип экономического расчета заключается в нахождении минимума суммы ежегодных эксплуатационных расходов по туннелю и стоимости энергии, теряемой ежегодно вследствие наличия в деривации потерь напора на трение. Туннели в орошении чаще всего применяются в холостой части магистрального канала в сочетании с участками открытого канала. Наивыгоднейшие размеры поперечного сечения оросительных туннелей могут быть установлены экономическим подсчетом подземной и открытой части магистрального канала.
В построенных туннелях скорости обычно колеблются в следующих пределах: в безнапорных — от 1,5 до 2,<5 м/сек (при более или менее постоянном расходе) и от 1,5 до 4,0 м/сек (если расход сильно колеблется); в напорных — от 2 до 4 м/сек (обычная скорость) и может доходить до 5 м/сек в часы повышенных нагрузок и при очень больших расходах.
Для предварительного определения толщины бетонной облицовки безнапорных туннелей можно пользоваться графиком, изображенным на рисунке 5—37, в котором по оси абсцисс откладывается коэффициент крепости f пород по Μ. М. Протодьяконову, а по осп ординат — отношение толщины облицовки в замке свода а к ширине туннеля в свету в. Этим же методом можно рассчитывать и напорные туннели подковообразного очертания с равномерным давлением воды изнутри (однако при небольших капорах).
Статические расчеты сечений туннелей подробно рассмотрены в книге Г. Г. Зурабова и О. Е. Бугаевой1. Для предварительного назначения толщины железобетонных облицовок напорных туннелей приводятся взятые из этой книги графики (рис. 5—38).
По оси графика отложены значения коэффициента удельного отпора к0 (в кг/см3), а по оси ординат — значение толщины облицовки в долях внутреннего диаметра h/D. Графики составлены применительно к туннелям с внутренним диаметром D = 4 м для бетона марки 200. Для туннелей других диаметров толщина облицовки может быть определена введением поправочного коэффициента, получаемого из графика (рис. 5—39).
1 Г. Г. Зурабов, О. Е. Бугаева. Гидротехнические туннели гидроэлектрических станций. 1962 г.
Ориентировочные значения к0: известняк с прослойками глины — 350, кварциты — 500, граниты — 2100 и т. д.
Ряс. 5—38. График для ориентировочного определения толщины железобетонной облицовки напорных туннелей (р — напор в am).
