Тоннели, сооружаемые щитовым и специальными способами - Филиппов В.В.

Автор: Филиппов В.В.
Теги: подземное строительство земляные работы фундаменты строительство тоннелей дороги железные дороги железнодорожное строительство автомобильные дороги дорожное строительство транспорт железнодорожный транспорт тоннели геодезия издательство рготупс маркшейдерські роботи
Год: 2004
Похожие
Метрополитены
Устройство пути и станций
Строительство метрополитенов
Текст
                    РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
МИНИСТЕРСТВА ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

В.В. Филиппов

ТОННЕЛИ,
СООРУЖАЕМЫЕ ЩИТОВЫМ
И СПЕЦИАЛЬНЫМИ СПОСОБАМИ
Утверждено
редакционно-издательским советом РГОТУПСа
в качестве учебного пособия

Москва – 2004

УДК 624.19:[625.1+625.42](075.8)
ББК 39.112 Я73
Ф 53
Филиппов И.И. Тоннели, сооружаемые щитовым и специальными способами: Учеб. пос. — М.: РГОТУПС, 2004. —
212 с.
В качестве лекций рассмотрены конструкции сборных обделок кругового очертания, немеханизированные и механизированные, проходческие щиты, сооружение тоннелей щитовым
способом, расчет тоннельных обделок кругового очертания.
Конспект лекций предназначен для студентов V курса специальности МПС.

ISBN5-7473-0173-X

2

 Российский государственный
открытый технический
университет путей сообщения
Министерства путей сообщения
Российской Федерации, 2004

Глава 1
КОНСТРУКЦИИ СБОРНЫХ ОБДЕЛОК
КРУГОВОГО ОЧЕРТАНИЯ
1.1. Щитовой и специальный способы работ
Щитовой способ сооружения тоннелей — щитовая проходка (рис. 1.1) — основан на применении в забое тоннеля
специального агрегата — проходческого щита. Щит представляет собой подвижную металлическую крепь, надежно
ограждающую забойную зону от окружающего грунтового
массива. Под его защитой выполняют основные операции
проходческого цикла: разработку грунта, крепление забоя,
уборку грунта, возведение обделки. Форма поперечного сечения щита повторяет очертание тоннельной обделки и,
как правило, круговая, но может быть сводчатой и прямоугольной.
В головной части щита под защитой ножевого кольца 1
разрабатывают на глубину заходки W грунт забоя 2 и выполняют его крепление. Затем при помощи гидравлических

Рис. 1.1. Схема щитовой проходки
3

щитовых домкратов 3, установленных по периметру опорного кольца 4, передвигают щит вперед в разработанное
пространство. При этом домкраты опирают в ранее возведенную обделку, чаще всего сборную, состоящую из отдельных колец 5, ширина которых b равна или кратна глубине заходки. После передвижки щита и уборки штоков
домкратов в освободившемся пространстве под защитой
хвостовой оболочки 6 возводят очередное кольцо обделки.
По мере передвижения щита и выхода обделки из-под оболочки зазор 7 между обделкой и грунтом заполняют под
давлением цементно-песчаным раствором, обеспечивая надежный контакт обделки с грунтовым массивом.
Для придания щиту необходимой жесткости в пределах
ножевого и опорного колец ставят одну-две горизонтальные перегородки 8, используемые одновременно как рабочие подмости, и две-три вертикальные перегородки 9.
Одна из наиболее тяжелых и трудоемких операций проходки — разработка грунта в забое — может быть механизирована. Для этого в головной части щита под защитой
ножевого кольца устанавливают специальные устройства,
которые при необходимости могут выполнять функцию временной крепи забоя. Такие щиты называют механизированными.
К особенностям щитового способа сооружения тоннелей,
помимо наличия проходческого щита, следует отнести
узость фронта основных проходческих работ, сосредоточенных в пределах щита и выполняемых чаще всего одновременно, и максимальное приближение (до 3,5–5 м) к забою
места возведения обделки, что требует строгой увязки всех
рабочих операций во времени и четкой организации труда.
Достоинства щитового способа наиболее наглядно проявляются при его сравнении с горными способами.
При горных способах проходки в устойчивых грунтах,
допускающих раскрытие сечения выработки в один-два этапа, место возведения обделки удалено от забоя на расстояние, которое связано с технологией выполнения проходчес4

ких операций и составляет десятки метров. Контур выработки на всем протяжении от забоя до места возведения
обделки крепят временной крепью, обладающей большей податливостью, чем обделка. Длительность нахождения выработки на временной крепи в сочетании с ее податливостью
способствует образованию в грунтовом массиве вокруг выработки области неупругих деформаций. В зависимости от
грунтовых условий и глубины заложения тоннеля развитие
этой области может проходить до образования свода обрушения или непосредственно до поверхности земли. Это приводит к возникновению значительного горного давления на
обделку и осадкам поверхности земли.
В слабоустойчивых и неустойчивых грунтах раскрытие
сечения выработки приходится вести в несколько этапов с
устройством временной крепи на каждом этапе расширения. При каждом последующем расширении необходимо перекрепление ранее раскрытой части сечения. В этих условиях вероятность возникновения предельных значений области неупругих деформаций в грунтовом массиве особенно
велика.
Щитовой способ проходки не требует применения временной крепи контура выработки — в этом его главное
достоинство. Контур выработки существенно надежней
закреплен щитом, исключен расход труда и материалов на
устройство временной крепи, что повышает безопасность
выполнения работ, позволяет достичь более высоких скоростей проходки, повышает ее экономическую эффективность.
При щитовой проходке для каждого сечения время с момента раскрытия выработки до момента возведения обделки и ее гарантированного контакта с грунтовым массивом
измеряется часами или даже, при использовании механизированных щитов, десятками минут. Это обстоятельство в
сочетании с практическим отсутствием податливости щитовой конструкции существенно замедляет развитие области неупругих деформаций в грунтовом массиве, что благоприятно сказывается как на горном давлении, так и на
5

деформациях поверхности земли. Деформации имеют особенно важное значение при проходке тоннелей метрополитена, где осадки поверхности вызывают серьезные последствия и должны быть исключены.
Существенным достоинством щитового способа проходки
является его универсальность — возможность эффективного
применения в широком диапазоне геологических и гидрогеологических условий — от крепких скальных до неустойчивых обводненных грунтов при значительном гидростатическом давлении. Для любых условий соответственно приспособленный щит
обеспечивает высокую безопасность работ, частичную или полную механизацию всех горнопроходческих операций.
Щит позволяет получить достаточно точное очертание
выработки, максимально приближенное к обделке, что открывает широкие возможности применения сборных обделок индустриального изготовления, позволяющих повысить
качество тоннельных конструкций и существенно увеличить скорость проходки тоннелей.
Щитовой способ сооружения тоннелей, являясь одним из
наиболее эффективных и индустриальных, получил широкое применение и развитие в СССР, РФ и за границей на
строительстве тоннелей различного назначения.
Для строительства тоннелей, заложенных в специфических инженерно-геологических и гидрогеологических условиях, находят применение специальные способы сооружения: продавливания, проходки под сжатым воздухом (кессонной проходки), опускных секций.
Способ продавливания (рис. 1.2) заключается в том, что
отдельные звенья 3 тоннеля в виде колец или прямоугольных секций постепенно продавливают в грунте при помощи
домкратной установки 1, размещаемой в котловане 2 или
шахте 4. Головное звено снабжено ножевым устройством 5,
под защитой которого разрабатывают грунт, выдавая его
по готовой части тоннеля на поверхность земли. Продавливание ведут по звеньям, которые последовательно монтируют в котловане или шахте. Суммарное усилие домкратной
6

Рис. 1.2. Схема сооружения тоннеля способом продавливания:
а — под железнодорожными путями; б — под каналом

установки должно обеспечить преодоление лобового сопротивления вдавливанию ножевого устройства и сил трения
по наружной поверхности обделки, которые возрастают по
мере увеличения длины продавливаемого тоннеля.
При необходимости их снижения в зазор между обделкой
и грунтом нагнетают антифрикционные суспензии, например бентонитовую.
Длина тоннеля или участка тоннеля, сооружаемого способом продавливания, ограничивается суммарным усилием
домкратной установки и условиями обеспечения точности
положения тоннеля в плане и профиле. На практике эта
длина не превышает десятков метров, хотя возможно продавливание тоннелей длиной 150–200 м и более.
Способ продавливания позволяет вести строительные
работы по сооружению тоннеля на небольшой глубине от
7

пересекаемых искусственных или естественных препятствий без вскрытия поверхности земли при практическом
исключении ее осадок. Его применяют при строительстве
городских пешеходных и транспортных тоннелей, тоннелей
метрополитена под железнодорожными или автомобильными магистралями, в непосредственной близости или непосредственно под существующими зданиями, неширокими реками и каналами в тех случаях, когда применение других
способов (щитового, котлованного, траншейного и др.) экономически нецелесообразно или практически невозможно.
Способ проходки под сжатым воздухом основан на использовании давления сжатого воздуха для отжатия воды
из грунта призабойной зоны, что позволяет вести проходческие работы в осушенных условиях и способствует повышению устойчивости грунта в забое.
Сущность способа (рис. 1.3) заключается в том, что головную часть 1 тоннеля (рабочую зону) отделяют от остальной герметичной перегородкой 2 и в эту зону нагнетают сжатый воздух.

Рис. 1.3. Схема проходки тоннеля под сжатым воздухом
8

Для связи с рабочей зоной в герметичной перегородке
устанавливают шлюзовые аппараты 3. Сжатый воздух отжимает воду из грунта в забое, создавая осушенную зону 4.
Давление сжатого воздуха на уровне лотка тоннеля назначают равным или несколько меньшим гидростатического на
том же уровне. Максимальное давление сжатого воздуха в
рабочей зоне ограничено санитарно-гигиеническими условиями труда людей и по действующим Правилам безопасности при производстве работ под сжатым воздухом (кессонные работы) составляет 0,49 МПа.
Проходку тоннелей под сжатым воздухом, как правило,
осуществляют щитовым способом.
Однако в практике строительства известны случаи проходки тоннелей под сжатым воздухом при горных способах
работ.
Проходка под сжатым воздухом находит применение при сооружении тоннелей в неустойчивых водонасыщенных грунтах
плывунного характера с низкой водоотдающей способностью,
в устойчивых грунтах с большим притоком подземных вод. Известны случаи применения способа в водонепроницаемых грунтах при незначительной их толще над тоннелем, выше которой
залегают неустойчивые водонасыщенные грунты. В этом случае сжатый воздух используется как средство повышения степени устойчивости забоя и служит дополнительным средством
против возможного прорыва воды в забой при нарушении целостности недостаточно надежной кровли водонепроницаемых
грунтов.
Вместе с тем способу проходки под сжатым воздухом
присущи серьезные недостатки. Не может быть полностью
исключена возможность прорыва воды и неустойчивого
грунта в рабочую зону при резком падении в ней давления
сжатого воздуха, которое на уровне верха тоннеля существенно превышает гидростатическое, например при наличии в грунте сквозных ходов.
Работа людей в зоне сжатого воздуха характеризуется
низкой производительностью труда. Это связано с их боль9

шей утомляемостью и значительной непроизводительной
затратой времени на шлюзование и вышлюзовывание. Кроме того, шлюзование и вышлюзовывание сопряжены с повышенным травматизмом (баротравмы) и нередко возникающим профессиональным заболеванием (кессонная болезнь).
Повышенный процент содержания кислорода в рабочей
зоне повышает степень опасности работ в пожарном отношении; в зоне сжатого воздуха необходимы специальные
средства пожаротушения.
Область применения способа ограничена значением гидростатического давления в уровне лотка тоннеля, которое
не должно превышать максимально допустимого давления
сжатого воздуха в рабочей зоне. Этот недостаток в определенных случаях может быть исключен применением в качестве дополнительной меры глубинного водопонижения, позволяющего снизить высоту столба воды над тоннелем.
Скорость проходки тоннелей под сжатым воздухом ниже,
а стоимость работ в среднем на 45–60% выше, чем при
обычной проходке.
Способ опускных секций получил широкое применение
при сооружении подводных тоннелей под руслами рек, проливов, каналов. Секции тоннеля значительной протяженности (до 120 м) изготавливают на берегу, транспортируют к
месту работ на плаву, опускают в подготовленную траншею в дне водотока, последовательно стыкуя между собой,
и затем засыпают.
1.2. Особенности сборных тоннельных обделок
Сборные обделки получили наибольшее распространение
при щитовом способе сооружения тоннелей.
К сборным обделкам предъявляют следующие основные
требования. Она должна обладать прочностью и устойчивостью на все действующие нагрузки, водонепроницаемостью, долговечностью. Элементы обделки должны обеспечивать максимальную их взаимозаменяемость и простоту изготовления. Обделка должна допускать возможность безо10

пасного, высококачественного, простого и быстрого ее
монтажа в подземных условиях при полной механизации
рабочих операций.
Сборные обделки чаще всего имеют круговое очертание.
В этом случае обделка тоннеля представляет собой цилиндрическую трубу из последовательно монтируемых колец
шириной b, состоящих из отдельных элементов. Круговая
форма обеспечивает простое получение минимального числа однотипных взаимозаменяемых элементов в кольце. В
условиях работы обделки на всестороннее или близкое к
нему давление круговая форма позволяет наиболее рационально использовать материал обделки — преимущественно на сжатие. Кроме того, при такой форме проходческие
щиты имеют наиболее простую конструктивную, а для
механизированных щитов и кинематическую схемы.
Ширина кольца обделки в значительной степени зависит
от геологических условий заложения тоннеля. Длина участка контура выработки, обнажаемого в забое на глубину
заходки и требующего надежного закрепления, как правило, равна ширине кольца. Поэтому ширину кольца стремятся ограничить, принимая ее в слабых грунтах в пределах
0,5–0,75 м. Ширина кольца определяет массу элемента и
тем самым грузоподъемность механизма для монтажа обделки, трудовые затраты на монтаж и гидроизоляцию швов.
В стесненных условиях тоннеля грузоподъемность монтажных механизмов, а следовательно, и масса элемента ограничены. По данным практики, она не должна превышать
1,5–2,5 т.
С учетом изложенных соображений ширину кольца принимают в пределах 0,5–1 м.
При этом чем слабее грунт и больше диаметр тоннеля,
тем меньше должна быть ширина кольца.
Для сборных обделок в качестве материала применяют
бетон, железобетон, чугун и сталь. Ведутся работы по исследованию возможности применения для сборных обделок
новых материалов — пластбетона, полимербетона.
11

Правильный выбор материала обделки, зависящий главным образом от геологических и гидрогеологических условий заложения тоннеля, имеет существенное значение, поскольку затраты на материалы при сооружении тоннелей
достигают 50% общей стоимости строительства.
1.3. Металлические тоннельные обделки
Обделка из чугунных тюбингов. Кольцо обделки состоит
из элементов-сегментов коробчатого сечения — тюбингов.
Для их изготовления отливкой в опоки наиболее широко
применяют серый чугун марки СЧ-20, обладающий высокой устойчивостью против коррозии и имеющий расчетные сопротивления: сжатию — 180 МПа, растяжению —
60 МПа. В последнее время рассматривается возможность
применения высокопрочного чугуна марки ВЧ. Такой чугун
имеет повышенные прочностные характеристики благодаря
применению графитизирующих присадок (например, ферросилиций в количестве 0,1–0,6%), создающих его мелкозернистую структуру.
Кольцо обделки (рис. 1.4) состоит из трех типов тюбингов: нормальных H, оба продольных торца которых направлены радиально, ключевого (замкового) К клиновидной
формы и смежных (скошенных) С, один продольный торец
которых, примыкающий к ключевому тюбингу, скошен.
Клиновидная форма тюбинга К обеспечивает возможность
завершения монтажа (замыкания) кольца изнутри. Для тех
же целей. вместо тюбинга К ставят клиновую чугунную
прокладку. Угол клина .замыкающего элемента 6–10°.
Общее число длинных тюбингов (H, C) в кольце зависит от
максимально возможной длины дуги по наружной поверхности
тюбинга, которая по условиям механизированной формовки опок
для отливки не должна быть больше 200 см. При этом масса
тюбинга не превышает 1,5–2 т, что позволяет получить компактные механизмы для монтажа обделки.
Тюбинг (рис. 1.5) представляет собой литое изделие, имеющее плиту-оболочку (спинку) 1 с цилиндрической поверх12

Рис. 1.4. Общий вид кольца обделки чугунных тюбингов

Рис. 1.5. Общий вид тюбинга
13

ностью, обращенной к грунту, и четыре борта, окаймляющих оболочку и направленных внутрь кольца: два продольных (радиальных) борта 2, параллельных продольной оси
тоннеля, два поперечных (кольцевых) борта 3, лежащих в
поперечной плоскости, перпендикулярной продольной оси
тоннеля. Борта придают тюбингу жесткость и служат для
соединения тюбингов в кольцо и колец между собой. Для
этого в бортах предусмотрены болтовые отверстия 5, на
3–4 мм больше диаметра болтов d, с целью облегчения монтажа. Для соединения применяют стальные болты диаметром 20–45 мм. Наружные плоскости бортов подвергают механической обработке прострожкой для обеспечения плотного взаимного примыкания.
Оболочка тюбинга работает на внешние нагрузки как
плита, защемленная по контуру. Для уменьшения ее свободной площади все тюбинги, кроме ключевого, снабжены продольной диафрагмой 4 (или двумя-тремя), поставленной
между болтовыми отверстиями поперечных бортов. При
щитовой проходке в поперечные борта тюбингов опирают
щитовые домкраты, поэтому диафрагма дополнительно
служит средством усиления жесткости бортов и всего тюбинга в целом. В продольном сечении диафрагма имеет
постоянную или плавно уменьшающуюся от бортов к середине высоту или может быть выполнена в виде криволинейных треугольных контрфорсов. В местах примыкания диафрагмы к бортам в ней со стороны оболочки предусмотрены
сквозные вырезы, необходимые для компенсации температурных напряжений, вызываемых неравномерным остыванием отливки при изготовлении тюбинга.
В необходимых случаях для повышения жесткости и несущей способности обделки все тюбинги снабжают средним
поперечным ребром, увеличивающим площадь и момент
инерции рабочего сечения тюбинга.
В оболочке предусмотрено нарезное отверстие 6 диаметром 50 мм для нагнетания раствора за обделку, закрываемое чугунной пробкой. Все борта тюбинга имеют одинако14

вую высоту hб, форму и размеры поперечного сечения
(рис. 1.6). Высоту борта назначают в зависимости от внутреннего диаметра обделки Двн и действующих на нее нагрузок.
Предварительно можно назначать hб = (0,0З÷0,04) Двн. Выпускаемые в стране тюбинги имеют высоту борта 195–350 мм.

Рис. 1.6. Борт тюбинга

Толщина борта a у оболочки ограничена гибкостью консольной части борта, т.е. отношением f/а = 3÷4, где f — длина
консольной части борта.
Предварительно можно задать

a=

hб b
,
400

где hб — высота борта, см;
b — ширина кольца обделки, см.
15

Внутренняя грань бортов имеет уклон 1/30 для удобства
отливки и расформовки тюбинга. В месте каждого болтового отверстия на внутренней грани предусмотрен прилив 1,
плоскость которого параллельна наружной грани борта. С
внутренней стороны тюбинга болтовое отверстие имеет
фаску 2 для размещения гидроизоляционной шайбы.
Каждый борт с наружной стороны у внутренней его
кромки снабжен фальцем 4 по всей длине борта. При монтаже двух соприкасающихся тюбингов фальцы образуют чеканочную канавку, в которую помещают гидроизолирующий материал.
Оболочка тюбинга расчетной толщины t имеет утолщение к бортам в виде вутов 3 с уклоном 1/6–1/9. Минимальная толщина оболочки 18–20 мм диктуется условиями обеспечения долговечности и необходимого ее качества при
отливке тюбинга. Толщина оболочки у борта равна толщине борта а.
Болтовые отверстия по поперечным бортам располагают
с одинаковым шагом на разбивочной окружности, проходящей через середину высоты борта тюбинга. Это обеспечивает взаимозаменяемость тюбингов, длина дуги которых по
разбивочной окружности кратна шагу отверстий.
Постоянство шага обеспечивает возможность поворота
кольца влево или вправо по отношению к смежному на
угол, соответствующий одному-двум болтовым шагам. В
результате достигается перевязка продольных стыков: тюбинги двух соседних колец выполняют роль накладок, перекрывающих продольный стык (рис. 1.7). Это повышает жесткость обделки, особенно необходимую в монтажный период, когда она еще не имеет надежного контакта с грунтом
и может деформироваться под действием собственного
веса.
Болты, устанавливаемые по поперечным бортам, выполняют роль монтажных соединений. Они вступают в работу
лишь при значительных прогибах всей обделки как трубы
на упругом основании.
16

Болты по продольным бортам располагают в один или
два ряда. Они являются рабочими и не допускают раскрытия
стыка между тюбингами внутрь
и наружу кольца под действием
изгибающих моментов переменного знака.
В рассматриваемой конструкции обделки все тюбинги
кольца имеют одинаковые площадь и момент инерции, что
приводит к излишнему запасу
прочности в нижней менее наРис. 1.7. Схема перевязки
пряженной части кольца, а слепродольных стыков:
довательно, к нерациональному
1 — накладки (стрелками поиспользованию материала. Для
казано давление домкратов)
устранения этого недостатка в
нижнюю часть кольца ставят тюбинги с бортами и оболочкой меньшей толщины или без среднего поперечного ребра
(облегченные тюбинги), но с теми же габаритными размерами. Это позволяет снизить расход чугуна на обделку, но
увеличивает число типоразмеров элементов в кольце.
Существенный недостаток обделки в виде строгого геометрического кольца — отсутствие плоского основания в
лотке. Это приводит к необходимости устройства деревянного настила под откаточные пути и людской проход и
последующей очистки пространства под настилом от грязи.
Очистка от грязи трудно поддается механизации и выполняется вручную. Все это увеличивает стоимость и трудоемкость строительных работ.
Для исключения этого недостатка нашла применение на
практике чугунная тюбинговая обделка с плоским лотком
(рис. 1.8, а). В состав кольца обделки, помимо тюбингов Н,
С и К (или клиновой прокладки), включен лотковый железобетонный блок Л с плоской внутренней поверхностью. Для
17

обеспечения гидроизоляции плоская поверхность покрыта
двумя чугунными ребристыми плитами толщиной 20 мм,
связанными анкерами с арматурным каркасом блока. Чугунные плиты с наружной стороны по всему периметру
образуют во всех сопряжениях чеканочные канавки для
гидроизоляции швов.
Ширина плоской поверхности 2–2,2 м обеспечивает размещение двух откаточных путей и людского прохода с одной стороны.
Соединение лоткового блока с тюбингами болтовое. Для
этого в продольных торцах блока предусмотрено два отверстия, армированных стальными шестигранными трубками. В трубку помещена гайка, продольное перемещение
которой исключено ее анкеровкой в теле блока.
Применение обделки с плоским лотком позволяет снизить
расход чугуна на 5–8%.
Недостаток обделки — сложность обеспечения плотного
прилегания чугунных тюбингов к лотковому блоку по всей
плоскости продольного стыка из-за различной точности изготовления этих элементов. При монтаже кольца в стыке
может появиться зазор, ликвидировать который затяжкой

Рис. 1.8. Нижняя часть чугунной тюбинговой обделки с плоским
лотком:
а — с одним лотковым блоком; б — с тремя лотковыми блоками
18

болтов не всегда удается. В результате снижается жесткость кольца, а стык может служить источником течей.
Обделка не допускает перевязки продольных стыков.
Чтобы обеспечить перевязку, в состав кольца вводят еще
один тип тюбинга П, половинный от нормального, который
поочередно ставят слева и справа от лоткового блока.
В обводненных устойчивых грунтах, где упругий отпор
достаточно высок, требования к жесткости обделки могут
быть снижены. В этих условиях возможно применение чугунной обделки, в кольце которой смежные с лотковым
блоком тюбинги также заменены железобетонными блоками
с внутренней полигональной поверхностью, покрытой чугунными плитами (рис. 1.8, б). Такое решение дает существенное снижение расхода чугуна. Кроме того, вся лотковая часть кольца имеет гладкую внутреннюю поверхность,
благодаря чему упрощается ее очистка от грязи.
Стык между блоками Л-1 и Л-2 плоский с монтажными
шпильками, а между блоком Л-2 и чугунным тюбингом с
болтовой связью. Наличие четырех стыков, в которых возможно появление зазоров, снижает жесткость кольца в большей степени, чем при одном лотковом блоке. Область применения обделки ограничена устойчивыми грунтами.
На криволинейных участках трассы тоннеля могут применяться специальные клиновидные (угловые) чугунные
тюбинговые кольца, поперечные грани которых не параллельны, а отклоняются под небольшим углом (25').’Такие
кольца, укладываемые в обделку вперемешку с нормальными в различных сочетаниях, позволяют получить необходимое отклонение обделки тоннеля как в плане, так и в
профиле. Универсальность клиновидных колец для различных случаев поворота трассы достигается введением в состав кольца четырех ключевых тюбингов, диаметрально
расположенных на противоположных сторонах.
Для тех же целей вместо клиновидных колец в последнее
время чаще применяют металлические клиновидные прокладки, укладываемые в поперечные швы между нормаль19

ными кольцами. Такое решение требует замены болтов на
удлиненные, усложняет монтажные работы, но позволяет
исключить необходимость изготовления специальных тюбингов для клиновидных колец.
Мероприятия по обеспечению водонепроницаемости чугунной обделки сводятся к гидроизоляции болтовых отверстий (рис. 1.9), отверстий для нагнетания, в которые ввинчивают чугунные или стальные пробки с подложенными
под них асбобитумными шайбами, швов между тюбингами,
которые чеканятся (см. п. 1.3).
Область применения обделки из чугунных тюбингов ограничивается известным дефицитом чугуна. Ее применяют
для тоннелей, сооружаемых закрытым способом в неустойчивых обводненных грунтах (пески, илы, супеси, суглинки
и т.д.); в устойчивых обводненных грунтах при гидростатическом давлении на обделку 100 кПа и более; в водонепроницаемых грунтах при недостаточной их толще ниже лотка
или выше свода обделки, если за пределами толщи лежат
обводненные неустойчивые грунты; на участках зон тектонических нарушений, где возможно высокое горное давление, и в других подобных сложных инженерно-геологических условиях. В каждом случае применение чугунной обделки должно быть обосновано в проекте.
Дальнейшее совершенствование чугунной обделки должно быть направлено на уменьшение ее массы и снижение
излишних запасов прочности. Один из путей решения —

Рис. 1.9. Гидроизоляция болтовых
отверстий:
1 — асбобитумная или полимерная шайба; 2 — стальная сферическая шайба
20

замена обычного серого чугуна высокопрочным марки ВЧ.
Другой перспективный путь — разработка и освоение выпуска более широкого по геометрическим характеристикам
сечения ассортимента тюбингов. Это позволит более рационально с меньшим запасом прочности проектировать обделку для конкретных условий заложения тоннеля. И, наконец, применение принципа обжатия в грунт (см. п. 1.5) для
чугунных обделок, обеспечивающего снижение внутренних
усилий в кольце и тем самым получение более экономичной
конструкции.
Обделка из стальных тюбингов. Обделка из стальных
тюбингов в тоннелестроении применяется редко из-за высокой стоимости, дефицитности стали, а главное — плохого
сопротивления коррозии. Устранение этого недостатка путем повышения химической стойкости стали, применения
специальных покрытий, введения легирующих добавок приводит к значительному удорожанию обделки.
Преимущества стальной обделки перед чугунной вытекают из того, что сталь в отличие от чугуна одинаково
хорошо работает на сжатие и растяжение, поэтому при
равной прочности стальные тюбинги более легкие, а выработка имеет меньшее сечение. Более компактными будут
механизмы для монтажа обделки.
Стальная обделка может быть выполнена из литых и
штампованных тюбингов или изготовленных из сортовой
прокатной стали на сварке. Водонепроницаемость стальной
обделки может быть относительно просто обеспечена путем
сварки стыков.
Стальная обделка находит ограниченное применение при
строительстве подводных тоннелей, как элемент комбинированной обделки (сталь — бетон, сталь — железобетон).
1.4. Железобетонные тоннельные обделки
Классификация обделок. Сборные железобетонные тоннельные обделки получили в настоящее время преимущественное распространение. Их применение обеспечивает ре21

шение одной из важнейших народнохозяйственных задач —
экономию металла, позволяет индустриализировать тоннельное строительство, сократить его сроки и повысить производительность труда.
Попытки применения сборного железобетона делались
еще на ранних стадиях тоннеле- и особенно метростроения.
Однако широкому распространению мешали недостаточная
разработанность расчетных и конструктивных приемов для
рационального проектирования, недостаточно отработанная технология изготовления, монтажа и гидроизоляции.
Основная часть этих проблем решена; “узким” местом остается обеспечение надежной гидроизоляции сборных железобетонных обделок, что препятствует их применению в
обводненных условиях.
Сборные железобетонные обделки могут быть классифицированы по типу продольного стыка между элементами
(плоский стык с монтажными шпильками, с цилиндрическим
вкладышем, с болтовой связью, цилиндрический стык); по
типу элемента кольца, определяемого видом его рабочего
сечения (тюбинги, блоки сплошного сечения, ребристые блоки); по характеру включения обделки в совместную работу
с грунтовым массивом (нагнетанием раствора, обжатием в
грунт). В конкретных конструкциях обделок эти признаки
могут сочетаться в разных комбинациях.
Типы продольных стыков. Опыт практического применения сборных железобетонных обделок и экспериментальные
исследования на стендах показывают, что несущая способность и трещиноустойчивость обделок определяются прочностью продольных стыков.
Плоский стык (рис. 1.10, а, б, в) характеризуется передачей внутренних усилий по плоским торцам соприкасающихся элементов.
В плоском стыке с монтажными шпильками (см. рис. 1.10, а)
в каждом торце элемента примерно в четвертях его ширины предусмотрены два отверстия глубиной 75–10 мм для установки в
них стальных шпилек 1 диаметром 20–30 мм. Диаметр отвер22

Рис. 1.10. Типы стыков сборной железобетонной обделки

стия на 2–4 мм больше, что облегчает монтаж и исключает работу шпилек на изгиб при деформациях кольца под нагрузкой.
В плоском стыке с цилиндрическим вкладышем (см.
рис. 1.10, а) в каждом торце элемента посередине высоты
предусмотрен по всей ширине полуцилиндрический паз радиусом 30–40 мм. При монтаже элементов в образовавшееся отверстие вставляют цилиндрический вкладыш 2 в виде
железобетонного стержня или обрезка стальной трубы. Диаметр вкладыша на 5–8 мм меньше диаметра отверстия, а
длина составляет 1/2–1/3 ширины кольца.
Шпильки и цилиндрический вкладыш обеспечивают при
монтаже правильное положение элементов в кольце, не препятствуя их взаимному повороту. При деформациях кольца
под нагрузкой плоскости торцов стыкуемых элементов образуют между собой некоторый угол — стык оказывается
раскрытым (рис. 1.11). Раскрытие стыка может быть получено и при монтаже в результате отклонений в размерах
элементов при их изготовлении и неточного выполнения
монтажных работ.
23

В раскрытом стыке передача внутренних усилий происходит по некоторой площадке смятия, смещенной от нейтральной оси к внешнему или внутреннему краю кольца. В
результате нормальная сила N передается с эксцентриситетом е, и в стыке возникает значительный изгибающий момент. В сечениях элемента увеличиваются растягивающие
напряжения, которые ограничивают несущую способность
и трещиноустойчивость обделки вследствие плохой работы
бетона на растяжение.
Для уменьшения изгибающего момента в плоский стык с
монтажными шпильками может быть помещена упругая
прокладка толщиной 5–6 мм из материала с минимальным
значением коэффициента Пуассона и проверенной стойкостью к ползучести (например, винипласт или спецрезина). Ее
ширина составляет примерно половину ширины торца стыкуемых элементов. Прокладка обеспечивает возможность
некоторого поворота элементов в стыке за счет ее смятия
и более равномерно распределяет напряжения, уменьшая
эксцентриситет нормальной силы. Одновременно она служит дополнительным средством гидроизоляции шва.
Недостаток такого решения — повышенная деформативность обделки и увеличенная трудоемкость монтажа из-за
необходимости постановки прокладки.
В плоском стыке с болтовой связью (см. рис. 1.10, в) поставленные через армированные металлическими трубками
отверстия болты 3 обеспечивают передачу изгибающего
момента через стык и препятствуют его раскрытию. Кольцо обделки с такими стыками получает повышенную жесткость, что особенно существенно для обделок большого
диаметра, заложенных в грунтах с относительно невысоким
коэффициентом упругого отпора. Кроме того, болтовая
связь исключает необходимость поддержки верхних элементов кольца при монтаже.
Вместе с тем из-за различных упругих характеристик
болтовой стали и бетона при деформациях кольца под нагрузкой в бортах элементов возможно появление трещин
24

Рис. 1.11. Раскрытие стыка:
а — внутри кольца; б — снаружи кольца

отколов защитного слоя бетона. То же может произойти и
при затяжке болтов в процессе монтажа, во избежание чего
при монтаже необходимо применять сболчиватели с фиксированным значением крутящего момента.
Чтобы исключить появление трещин и отколов защитного слоя бетона в эксплуатационный период работы обделки, особенно в условиях, когда возможно значительное горное давление, болты по продольным стыкам после монтажа
обделки и включения ее в совместную работу с грунтом
заменяют короткими стальными шпильками с последующей
зачеканкой болтовых отверстий с обеих сторон.
Цилиндрический стык (см. рис. 1.10, г) представляет собой шарнирное соединение, допускающее возможность свободного взаимного поворота сопрягаемых элементов. Обделку с такими стыками рассматривают как кольцо с шарнирами. Ее геометрическая неизменяемость обеспечивается
совместной работой с окружающим грунтовым массивом.
Торцы элементов в стыке имеют цилиндрическую поверхность разной кривизны и теоретически соприкасаются по
продольной линии, проходящей через нейтральную ось.
Фактически из-за обмятия бетонных поверхностей нормальная сила в стыке передается через некоторую площадку,
которая вследствие отклонений в размерах элементов и
неточности монтажа может быть несколько смещена в ту
или другую сторону от нейтральной оси. В результате нор25

мальная сила передается с некоторым эксцентриситетом и
в стыке возникает изгибающий момент.
Минимальное значение эксцентриситета достигается, если
радиус выпуклого торца составляет 1–1,4 высоты сечения элемента, а вогнутого — на 3–5 см больше. В этом случае эксцентриситет не превышает 0,05–0,1 высоты сечения.
Для фиксации взаимного положения соседних элементов в
стыке предусмотрены две стальные монтажные шпильки 1.
Цилиндрическая выпукло-вогнутая форма стыка снижает изгибающий момент в обделке, обеспечивает хорошее
восприятие поперечной силы и удобство монтажа.
Стыки между кольцами. Стык соседних колец железобетонной обделки может быть выполнен со связью или без нее. Связь
между кольцами повышает жесткость обделки, прежде всего
необходимую в монтажной стадии, особенно для обделок большого диаметра. При наличии связи отпадает необходимость в
специальных средствах для поддержки верхних элементов до
замыкания кольца. В эксплуатационной стадии связь между кольцами может потребоваться в случае, если тоннельная обделка
будет работать как труба на упругом основании, например при
действии сейсмической нагрузки.
Связь между кольцами в виде болтового соединения по
типу продольного плоского стыка с болтами (см. рис. 1.10, в)
выполняет все свои функции как в монтажной, так и в эксплуатационной стадиях работы обделки. Связь в виде соединения типа гребень — паз (рис. 1.12, а) вступает в работу после замыкания кольца, а связь в виде кольцевой шпонки 1 (рис. 1.12, б) — после замыкания кольца и твердения
раствора, нагнетаемого в кольцевой паз между кольцами.
Рассмотренные виды связи могут применяться в обделках с
плоскими продольными стыками.
В обделках с цилиндрическими стыками связь между
кольцами не предусматривается, поскольку она будет препятствовать свободному взаимному повороту смежных элементов в продольных стыках и сделает бессмысленным их
шарнирный характер.
26

Рис. 1.12. Стыки между кольцами:
а — типа гребень — паз; б — с кольцевой шпонкой

Конструкция железобетонной обделки из тюбингов. Железобетонная обделка из тюбингов по конструкции аналогична чугунной тюбинговой. Кольцо обделки, в которой
обеспечена возможность устройства перевязки продольных
стыков, состоит из минимального числа типов тюбингов:
ключевого К, смежных С и нормальных Н. Для исключения
недостатков, связанных с отсутствием горизонтальной площадки в лотке тоннеля, в состав кольца вводят железобетонный лотковый блок Л сплошного или ребристого с наружной стороны поперечного сечения, внутренняя поверхность которого выполнена плоской. В такой обделке
перевязка продольных стыков достигается постановкой в
кольцо дополнительного тюбинга П, половинного от нормального.
Продольные стыки тюбингов плоские с болтовой связью
или с монтажными шпильками; соединение между кольцами
болтовое. Диаметр болтов 26–40 мм, диаметр болтовых
отверстий на 4–6 мм больше. Число болтовых отверстий по
поперечным бортам тюбингов Н и С 2–4; тюбинг К имеет
одно болтовое отверстие. Шаг отверстий по разбивочной
окружности 500–850 мм.
Высота борта тюбингов определяет жесткость и несущую способность кольца и составляет 0,045–0,06 от внутреннего диаметра обделки. Толщина оболочки тюбинга равна 1/4–1/2 высоты борта.
27

Число тюбингов в кольце для снижения трудовых затрат
на монтаж и гидроизоляцию продольных стыков должно
быть по возможности минимальным. Но при этом масса
тюбинга не должна превышать 2–2,5 т, а длина дуги по
наружной стороне, определяющая габарит элемента, —
быть не более 2–3 м. Такой габарит обеспечивает свободную доставку тюбингов к месту монтажа по клетьевому
подъему ствола шахты и подходным выработкам.
К достоинствам железобетонной тюбинговой обделки
относятся: уменьшенный в 1,5–2 раза расход бетона; меньшая, чем для блоков, масса тюбинга, облегчающая транспортные и монтажные работы; удобство монтажа из-за наличия болтовых связей по стыкам; более высокая жесткость
кольца по сравнению с блочными обделками, особенно существенная в монтажной стадии для обделки больших диаметров.
Вместе с тем обделки из железобетонных тюбингов обладают пониженной трещиностойкостью. Трещины могут возникать в местах болтовых соединений и по бортам при изготовлении тюбингов из-за их сложной конфигурации, в
процессе монтажа при затягивании болтов, от действия
щитовых домкратов при передвижке щита, в эксплуатационной стадии работы обделки на действие внешних нагрузок. Трещины служат причиной коррозии арматуры, источниками течей в тоннеле.
К недостаткам железобетонных тюбинговых обделок
следует также отнести более высокую потребность в металле (на 30–40% выше, чем для обделок из. блоков сплошного сечения) из-за большего расхода арматуры, наличия
болтовых связей и закладных деталей, обрамляющих отверстия.
Кроме того, железобетонные обделки из тюбингов имеют
повышенное аэродинамическое сопротивление, вызываемое
ребристой внутренней поверхностью, что ухудшает условия вентиляции тоннеля. По этой причине усложняется очистка тоннеля от грязи при его эксплуатации.
28

Обделка из тюбингов с болтовыми связями по продольным и поперечным стыкам получила применение на строительстве перегонных тоннелей Ленинградского метрополитена.
Кольцо обделки (рис. 1.13) шириной 1 м состоит из десяти
тюбингов: семи нормальных ПНБ, двух смежных ПСБ и
одного ключевого ПКБ. Высота бортов тюбинга 200 мм,
толщина оболочки 60 мм. Тюбинги усилены тремя продольными ребрами жесткости. Толщина поперечных бортов принята равной 150 мм для размещения в них рабочей арматуры. Продольные борты и ребра жесткости имеют толщину
80 мм. Все борта по наружной стороне у внутренней их
кромки имеют фальцы для образования чеканочной канавки глубиной 35 мм.
В поперечных бортах тюбингов с постоянным шагом
446 мм по дуге радиуса 2630 мм размещены 37 болтовых
отверстий, а в продольных бортах — по два болтовых от-

Рис. 1.13. Железобетонная обделка из тюбингов с болтовыми
связями по поперечным и продольным бортам:
а — схема кольца; б — тюбинг
29

верстия диаметром 33 мм. Болты для крепления приняты
диаметром 27 мм. В месте каждого болтового отверстия на
внутренней грани продольных бортов сделаны углубления
с плоскостью, параллельной наружной грани борта, для нормального размещения болтовой связи.
При необходимости повышения трещиноустойчивости и несущей способности обделки из железобетонных тюбингов принятого внутреннего диаметра можно увеличить высоту борта
до 45 см, толщину оболочки до 25 см и продольных бортов до
26 см. Повышению трещиноустойчивости способствует также
замена болтовых связей по продольным стыкам тюбингов: между нормальными и смежными — на стальные монтажные шпильки, а между смежными и ключевым — на цилиндрические железобетонные составные (из трех-четырех частей) вкладыши диаметром 96 мм. Вкладыши заводятся и кольцевые отверстия, предусмотренные в этих стыках, с торца обделки.
По поперечным бортам всех тюбингов в процессе монтажа устанавливают болты. После выполнения контрольного
нагнетания их заменяют на короткие стальные шпильки
с последующей зачеканкой торцовых участков болтовых
отверстий. Такое решение обеспечивает удобство монтажа
и уменьшает вероятность образования трещин в бортах при
деформациях обделки под нагрузкой в рабочей стадии.
Конструкция железобетонной обделки из блоков. Железобетонные обделки из блоков ребристого или сплошного поперечного сечения отличаются по характеру связи между кольцами,
типу продольных стыков, числу типоразмеров блоков в кольце.
Обделки из ребристых блоков отличаются от тюбинговых большей толщиной спинки и бортов каждого элемента кольца и отсутствием болтовых связей в продольных стыках. Связь между кольцами болтовая, постоянная или только на период монтажа.
Обделка из блоков сплошного сечения характеризуется отсутствием болтовых связей как по продольным, так и по поперечным (за редким исключением) стыкам. В обделках без
болтовых связей между кольцами перевязку продольных стыков не устраивают. Лотковый элемент должен иметь, как пра30

вило, плоскую внутреннюю поверхность шириной 2,2–2,4 м,
позволяющую устраивать на ней откаточные пути и исключающую очистку лотка тоннеля от грязи. При таком расположении лоткового элемента при симметрии конструкции
относительно вертикальной оси кольца число блоков, (без
ключевого) должно быть нечетным.
В обделках из ребристых блоков число болтовых отверстий по поперечному борту блока 2–4, размещаемых с постоянным шагом 500–850 мм по окружности. Постоянный
шаг обеспечивает простую возможность устройства перевязки продольных стыков.
Число элементов в обделках из железобетонных блоков
зависит от диаметра кольца и определяется массой элемента, которая по условиям монтажа в стесненных подземных
условиях не должна превышать 2–2,5 т, и длиной дуги по
наружной стороне, которая по условиям транспортирования не должна быть более 2–3 м.
Примером железобетонной обделки из ребристых блоков
может служить обделка перегонного тоннеля Ленинградского метрополитена. Кольцо обделки (рис. 1.14) шириной 1 м
состоит из шести нормальных, двух смежных и ключевого
блоков. Высота поперечного борта блока 200 мм, а высота
продольного борта уменьшена до 120 мм. Продольные стыки плоские с двумя стальными монтажными шпильками.
Благодаря уменьшенной высоте продольного борта стык
может рассматриваться как шарнирный, что приводит к
работе блоков практически только на сжатие. Поперечные
стыки между кольцами предусмотрены с монтажными болтовыми связями. После завершения монтажа кольца и проведения контрольного нагнетания болты заменяются на
короткие стальные шпильки.
Примером железобетонной обделки из блоков сплошного сечения без болтовых связей может служить обделка перегонного тоннеля первой очереди строительства Киевского метрополитена.
Кольцо обделки (рис. 1.15) шириной 1 м состоит из четырех нормальных, двух смежных и ключевого блоков высо31

32
33

Рис. 1.15. Железобетонная обделка из блоков сплошного сечения со шпонками в стыках

а — схема кольца; б — поперечное сечение блока; в — продольный стык блоков; 1 — чеканочная
канавка

Рис. 1.14. Железобетонная обделка из ребристых блоков:

той сечения 30 см. Центральный угол нормальных элементов 60°, а двух смежных и ключевого в сумме 120°. Такая
разбивка позволяет при бесщитовой проходке монтировать
кольцо только из одних нормальных блоков. Замыкание
кольца в этом случае производится переподъемом стыкуемых концов двух верхних блоков с последующим их одновременным опусканием. Это требует перебора грунта над
замковой частью обделки на 15–20 см.
Продольные стыки плоские с фиксирующей цилиндрической шпонкой 1; стыки между кольцами с кольцевой шпонкой 2. Для создания шпонок по продольным и поперечным
торцам каждого блока предусмотрены полуцилиндрические
пазы радиусом 3,5 см, располагаемые посередине высоты
торцов. При монтаже кольца для фиксации взаимного положения двух смежных блоков в образовавшееся в стыке
цилиндрическое отверстие вставляют короткий (длиной
35–40 см) отрезок стальной трубы диаметром 6,4 см. После, окончания монтажа смежного кольца в кольцевой паз
через отверстия 3 производится нагнетание цементного раствора, который заполняет также цилиндрические отверстия в продольных стыках. Затвердевая, раствор образует
сплошную кольцевую шпонку между кольцами обделки и
постоянную фиксирующую цилиндрическую шпонку в каждом продольном стыке.
Наличие кольцевой шпонки повышает жесткость обделки как трубы в рабочей стадии. В монтажной стадии обделка не имеет достаточной жесткости и требует поддерживающих устройств для верхней части кольца. К недостаткам
обделки следует отнести сложность контроля за выполнением нагнетания в кольцевой паз, что не гарантирует качества создания кольцевой шпонки по всему периметру.
Наиболее удачным решением конструкции железобетонной обделки из блоков сплошного сечения являются обделки
с продольными цилиндрическими выпукло-вогнутыми стыками. Такая обделка для перегонного тоннеля метрополитена получила название унифицированной.
34

Кольцо обделки однопутного железнодорожного тоннеля
(рис. 1.16) шириной 75 см состоит из восьми нормальных х
и одного лоткового блоков. Лотковый блок имеет плоскую
внутреннюю поверхность, в которой предусмотрен водоотводный лоток. Замыкание кольца производится установкой
с торца кольца двух железобетонных блоков-вкладышей с
центральным углом 4°. Высота сечения блоков 27 см.
Между кольцами предусмотрена монтажная связь при
помощи стальных шпилек. Для их установки в каждом блоке, кроме лоткового и вкладышей, устроены ниши. Шпильки позволяют монтировать верхнюю часть кольца без выдвижных поддерживающих балок, но допускают некоторую

Рис. 1.16. Железобетонная обделка железнодорожного тоннеля из
блоков сплошного сечения с цилиндрическими стыками
35

деформацию кольца без взаимодействия с соседними из-за
разности в диаметрах (3–4 мм) отверстий и шпилек. Благодаря шарнирности продольных стыков кольцо обделки представляет многошарнирную систему, что улучшает ее статическую работу под нагрузкой.
Недостатки этой обделки: ослабление сечения блоков
нишами, возможность появления трещин в местах постановки монтажных шпилек между кольцами при значительных
деформациях кольца.
Кольцо унифицированной обделки (рис. 1.17) шириной 1
м состоит из шести нормальных, одного лоткового блока с
плоской внутренней поверхностью и трех замыкающих
вкладышей. Высота сечения блоков 200 мм. Связь между
кольцами отсутствует.

Рис. 1.17. Железобетонная унифицированная обделка:
1 — отверстие для нагнетания; 2 — монтажные шпильки
36

Достоинством обделки является ее высокая деформативность, обеспеченная шарнирностью продольных стыков и
отсутствием связей между кольцами. Это приводит к уменьшению изгибающих моментов в сечениях обделки, что улучшает ее статическую работу. Недостатки обделки: необходимость подклинки блоков в грунт и оболочку щита для
обеспечения необходимой геометрии кольца; возможность
получения недопустимой эллиптичности колец до момента
затвердения раствора, нагнетаемого за обделку, а в податливых породах даже в рабочей стадии; необходимость при
монтаже поддерживать верхние блоки на выдвижных балках до замыкания кольца.
Сборные железобетонные обделки для обводненных условий.
Полная или частичная замена чугуна на сборный железобетон
для обводненных условий заложения тоннеля является одной из
важнейших народнохозяйственных задач тоннелестроения. Рассмотрим некоторые из предложенных решений, частично реализованные на отдельных строительных объектах. Они отличаются
типом принятой гидроизоляции обделки.
Кольцо железобетонной обделки из блоков сплошного
сечения со стальной гидроизоляцией цилиндрическими выпукло-вогнутыми продольными стыками шириной 1 м имеет три типоразмера блоков — Н, Л и. В (рис. 1.18). Внутренняя поверхность каждого блока покрыта стальным листом
толщиной 6 мм, который приварен к арматурному каркасу
до бетонирования блока в форме. После монтажа кольца и
чеканки швов их перекрывают стальными накладками шириной 80–100 мм и толщиной 6–8 мм, соединяемыми со
стальными листами блоков сварными швами.
Достоинства этой обделки: возможность применения той
же заводской технологии изготовления блоков, включая
использование опалубочных форм, по которой изготавливают блоки унифицированной обделки; повышенная жесткость обделки как трубы благодаря связям между блоками
в кольце и между кольцами, обеспеченным постановкой
накладок по внутренней поверхности всех швов.
37

Рис. 1.18. Железобетонная обделка из блоков со стальной
гидроизоляцией:

Рис. 1.19. Железобетонная обделка с чугунной изоляцией:

1 — стальной лист изоляции блока; 2 — стальные накладки

а — с шарнирными стыками; б — с плоскими стыками; в — комбинированная; 1 — полигональные чугунные плиты

Недостатки: необходимость защиты стальной изоляции
от коррозии (покраской, торкретом); большой объем и высокая трудоемкость сварочных работ, которые требуют
усиленной вентиляции; сложность перекрытия швов накладками из-за возможной неточности монтажа блоков в кольце
и смежных колец.
Кольцо железобетонной обделки с гидроизоляцией в виде
чугунных плит (рис. 1.19) шириной 75–100 см имеет цилиндрические выпукло-вогнутые стыки, например, для перегонных тоннелей метрополитена или плоские для станционных
тоннелей метрополитена.
Для перегонных тоннелей кольцо обделки включает три
типоразмера блоков — Н, Л и В. Такая обделка благодаря
шарнирности продольных стыков и отсутствию связей между кольцами обладает повышенной деформативностью, которая в податливых грунтах может явиться причиной нарушения гидроизоляции швов. При плоских стыках кольцо
состоит из четырех типоразмеров блоков — Н, С, К, Л. По

степени деформативности эта обделка практически не отличается от обделки с цилиндрическими стыками. Повышенная жесткость кольца может быть достигнута постановкой между блоками чугунных тюбингов двух типоразмеров — П и К.
Продольные стыки между блоками обделок с чугунной гидроизоляцией на монтажных шпильках, а между блоками и чугунными тюбингами в комбинированной обделке на болтах.
Внутренняя поверхность блоков покрыта чугунной полигональной плитой толщиной 20 мм, заанкеренной в тело
блока. Плита по контуру имеет втопленные в тело блока
заплечники, обрамляющие продольные и поперечные швы.
Гидроизоляция швов обеспечивается чеканкой освинцованным шнуром или замазкой из водонепроницаемого расширяющегося цемента (ВРЦ) или быстросхватывающегося
уплотняющегося состава (БУСа).
Обделки с гидроизоляцией в виде чугунных плит обладают более высокой антикоррозийностью, но надежность гид-

38

39

роизоляции ниже из-за возможных нарушений гидроизоляции швов.
Железобетонные сейсмостойкие обделки. В сборных железобетонных обделках при заложении тоннелей в сейсмических условиях должна быть обеспечена жесткость всей обделки как трубчатого стержня. Этим требованиям отвечает прежде всего железобетонная тюбинговая обделка с постоянными болтовыми связями по продольным и поперечным стыкам (см. рис. 1.13).
К сейсмостойким обделкам относятся сборные железобетонные обделки с жестким соединением блоков в углах.
Кольцо такой обделки (рис. 1.20) состоит из блоков трех
типоразмеров — Н, Л и В. Стыки между блоками в кольце
цилиндрические выпукло-вогнутые с двумя монтажными
шпильками по типу унифицированной обделки. Каждый
блок выполнен со срезами всех четырех углов на всю высоту или на половину высоты блока.

При срезанном на всю высоту угле из него выпущена
арматурная петля. После монтажа колец срезанные углы
четырех соседних блоков образуют квадратное отверстие
30x30 см, внутрь которых выступают четыре арматурные
петли. Под эти петли устанавливают стальную плиту толщиной 6–8 мм с четырьмя отверстиями, против которых к
внешней стороне петли приварены гайки (рис. 1.21, а). Установленную плиту поджимают к петлям болтами, которые
завинчивают в приваренные гайки (рис. 1.21, б). Затем стык
омоноличивают.
При срезанных на половину высоты углах внутрь квадратных углублений размерами 30x30 см, образованных четырьмя соседними блоками, на выступающие шпильки надевают квадратную стальную плиту и прижимают ее гайками к плоскости среза углов (рис. 21, в). После этого
квадратное углубление омоноличивают.
Для обоих конструктивных решений устройство сейсмоузлов имеет высокую трудоемкость, сложность установки

Рис. 1.20. Сейсмостойкая обделка с жестким соединением блоков
в углах:

Рис. 1.21. Соединение блоков в углах:

а — общий вид кольца; б — блок со срезом углов на всю высоту:
в — блок со срезом углов на половину высоты; 1 — арматурная
петля; 2 — шпилька
40

а — конструкция плиты; б — узел соединения блоков при срезке углов
на всю высоту; в — то же при срезке углов на половину высоты;
1 — стальная плита; 2 — отверстие в плите: 3 — штырь для крепления
опалубки; 4 — гайка; 5 — блоки; 6 — арматурная петля; 7 — шпилька
41

стальной плиты из-за возможной неточности изготовления
блоков и их монтажа, а также сложность обеспечения качественного омоноличивания, особенно для узлов в своде. При
срезанных на всю высоту углах возможно вытекание раствора нагнетания через сквозные отверстия в узлах.
К сейсмостойким обделкам могут быть отнесены сборные
железобетонные обделки со стальной гидроизоляцией (см.
рис. 18) и обделка из блоков сплошного поперечного сечения с
односторонними (внутренними) антисейсмическими узлами.
Антисейсмический внутренний узел (рис. 1.22) устраивают в углах, где сходятся четыре соседних блока. В углах
каждого блока в уровне с его внутренней поверхностью поставлены закладные стальные пластины, заанкеренные в
тело блока.
После монтажа обделки и чеканки швов в углах в чеканочные канавки укладывают короткие арматурные стержни, которые приваривают к стальным пластинам. Решение
просто по выполнению, но может быть рекомендовано при
заложении тоннеля в необводненных крепких грунтах и невысокой сейсмической балльности (6–7) района строительства, поскольку жесткая связь между блоками обеспечена
только изнутри кольца.

Рис. 1.22. Антисейсмический узел:
1 — железобетонные блоки; 2 — закладные стальные пластины;
3 — чеканочная канавка; 4 — арматурные стержни; 5 — сварные
швы
42

Армирование элементов железобетонной обделки. Армирование элементов сборных железобетонных обделок производится плоскими арматурными каркасами, объединенными
в пространственный арматурный каркас элемента поперечными стёржнями. По условиям взаимозаменяемости элементов принимают двойное симметричное расположение рабочей арматуры. Для рабочей арматуры должна преимущественно
приниматься
стержневая
арматурная
сталь
периодического профиля класса А-111, а для поперечной и
соединительной — класса А-11 или гладкая класса А-1.
Соединение арматуры в плоские и пространственные
каркасы осуществляется с помощью контактной точечной
сварки. Все закладные детали (петли для подъема элемента,
трубки, обрамляющие отверстия, и др.) приваривают к каркасу.
В железобетонных тюбингах и ребристых блоках плоские
каркасы размещают в поперечных бортах, объединяя их
короткими соединительными стержнями с внутренней и наружной стороны кольца. В общий пространственный каркас
плоские каркасы объединяют длинными поперечными стержнями, проходящими в продольных бортах и ребрах жесткости. Оболочка тюбинга или ребристого блока армирована
сварной сеткой.
Продольные торцы железобетонных блоков сплошного
сечения усиливают косвенным армированием сварными сетками из арматурной проволоки диаметром 3–5 мм класса
Вр-1. В торце ставят не менее четырех сеток с расстоянием
между ними не менее десяти диаметров рабочей арматуры
класса А-111.
1.5. Предварительно обжимаемые
сборные обделки
Для рационального использования такого материала
сборных тоннельных обделок, как железобетон, хорошо
работающий на сжатие, необходимо исключить или свести
к минимуму растягивающие напряжения в сечениях элемен43

тов кольца при его работе как несущей конструкции в эксплуатационной стадии. Это может быть достигнуто предваритёльным (до начала работы обделки на основные нагрузки) обжатием обделки, в результате которого в ее сечениях создаются сжимающие напряжения. Эти напряжения
должны обеспечить в суммарном напряженном состоянии
(от предварительного напряжения и действия основных нагрузок) только напряжения сжатия, что позволит снизить
расход бетона и арматурной стали на обделку тоннеля.
Предварительным обжатием достигается еще ряд положительных факторов: принудительное закрытие начальных
зазоров в продольных стыках кольца, которые образуются
при монтаже; уплотнение продольных стыков, улучшающее
гидроизоляционные свойства обделки; уменьшение геометрической изменяемости кольца в монтажной стадии.
Обжатие нагнетаемым за обделку раствором. Одной из
первых обделок, в которой была реализована идея предварительного обжатия, является сборная железобетонная обделка, обжимаемая нагнетанием за нее раствора.
Обделка из блоков 1 с плоскими продольными стыками монтируется с постоянным по периметру кольцевым зазором 2 внутри обоймы 3, созданной нанесением по контуру выработки слоя
торкрета или набрыгбетона (рис. 1.23). Обойма выполняет роль
временной крепи контура выработки и выравнивает его. Для
обеспечения постоянного зазора 3–4 см блоки обделки с наружной стороны снабжены ребрами 4 и шипами 5. После монтажа
кольца в полученный кольцевой зазор через отверстия 6 в блоках производится нагнетание цементного раствора под давлением до 1,3 МПа, создающее равномерное предварительное обжатие кольца.
Практическая проверка показала принципиальную возможность применения такого приема обжатия обделки. Вместе с тем были установлены его существенные недостатки:
значительные и трудно поддающиеся учету потери предварительного обжатия из-за податливости обоймы, утечек
раствора через стыки обделки и трещины в обойме, усадки
44

Рис. 1.23. Сборная железобетонная обделка, обжимаемая раствором

раствора при твердении; необходимость в устройстве торкретной или набрызгбетонной обоймы; возможность поломки наружных ребер и шипов при транспортировании и монтаже блоков; необходимость уплотнения кольцевого зазора
с торца перед нагнетанием раствора. По этим причинам
рассмотренный прием обжатия распространения на практике не получил.
Обжатие в грунт. Сущность приема обжатия обделки в
грунт состоит в том, что диаметр контура выработки принимают несколько меньшим наружного диаметра обделки в
ее проектном положении. Смонтированная в выработке обделка доводится до проектного диаметра. В результате
этой операции грунтовой контур деформируется на размер,
равный разности диаметров, что приводит к возникновению
по наружной поверхности обделки упругого отпора грунта,
обжимающего кольцо.
45

Практическая реализация обжатия обделки в грунт в полной мере
возможна при выполнении следующих принципиальных условий.
Контур выработки должен иметь строго круговое очертание
необходимого диаметра и гладкую поверхность. Это условие
наиболее полно может быть выполнено в мягких и полускальных грунтах при проходке механизированным щитом без какихлибо выступов на его наружной поверхности. При соблюдении
ряда дополнительных требований точное круговое очертание
контура выработки может быть получено и в песчаных грунтах. Ведение щита по трассе должно производиться с минимально возможными отклонениями от проектной оси тоннеля. Колебание рабочего органа щита в процессе разработки грунта должно быть минимальным.
В конструкции обжимаемой обделки должны быть предусмотрены конструктивные меры, обеспечивающие достижение ею строго кольцевой формы к концу обжатия. Этому
условию отвечает обделка с цилиндрическими стыками без
связей между кольцами, в которой возможен взаимный поворот соседних элементов в кольце по мере выполнения
обжатия. Наконец, обделка тоннеля должна иметь максимально приближенное к проектному круговое очертание.
Это требует повышенной точности соблюдения всех размеров элементов кольца при их изготовлении.
Обжатием обделки в грунт достигаются следующие преимущества. Предотвращается развитие деформаций контура выработки за счет более быстрого включения кольца
обделки в совместную работу с окружающим грунтом. Это
стабилизирует грунтовой массив вокруг тоннеля и тем самым снижает горное давление на обделку, исключает или
сводит к минимуму осадки поверхности земли над тоннелем. Исключается необходимость первичного нагнетания и
сводится к минимуму контрольное. Опыт применения обжатых в грунт обделок позволил выявить ряд недостатков,
свойственных этому приему предварительного напряжения.
Практически невозможно получить равномерное обжатие
по периметру кольца из-за возникающих сил трения по наружной поверхности обделки. Силы трения снижают реали46

зуемое при обжатии значение упругого отпора грунта до
2–3 раз на максимальном удалении от точки кольца, в которой прикладывается усилие обжатия.
Созданное обжатием в грунт предварительное напряжение обделки может быть частично или полностью потеряно
из-за релаксационных явлений в грунтовом массиве. В наибольшей степени это проявляется в пластичных глинистых
грунтах. Оценка этих потерь весьма затруднительна. Поэтому в настоящее время обделки, обжатые в грунт, не
рассматриваются как предварительно напряженные.
Конструкции обжатых в грунт обделок могут быть бетонными, железобетонными и даже чугунными с шарнирными продольными стыками без связей между кольцами. Наибольшее
распространение получили железобетонные обделки.
Конструктивные решения обжатых в грунт железобетонных обделок зависят от принятого способа обжатия.
При обжатии одним клиновым блоком, размещенным в
замке, кольцо обделки (рис. 1.24) состоит из пяти типоразмеров блоков: нормальных Н, лоткового Л, смежного левого Сл и правого Сп и клинового К, а в некоторых случаях —
из четырех при исключении лоткового блока.

Рис. 1.24. Обделка, обжатая в грунт клиновым блоком в замке
(стрелкой показано направление вдавливания клина)
47

Оба продольных торца клинового блока и примыкающие
к нему торцы смежных блоков выполнены со скосами, уклон которых 1/8–1/10. Все продольные стыки цилиндрические выпукло-вогнутые с монтажными шпильками между
лотковым, нормальными и смежными блоками и с укороченным трубчатым вкладышем между смежными и клиновым. Этот фиксирующий вкладыш играет роль направляющей и предотвращает выход клинового блока из кольца при
его вдавливании с торца.
Обжатие кольца в грунт выполняется в два этапа вдавливанием клинового блока с торца кольца в зазор между
смежными блоками при помощи укороченного для этих целей верхнего щитового домкрата. На первом этапе вдавливания кольцо обделки максимально приближается к оболочке щита. Затем щит перемещается вперед и кольцо оказывается за пределами оболочки, для чего она укорочена до
размера b — 5 см, где b — ширина кольца. После этого
вдавливают клиновой блок на всю ширину кольца, обжимая его в грунт. Для обеспечения вдавливания клинового
блока на всю ширину кольца шток домкрата наращивают
откидной трубой (рис. 1.25).
Достоинства рассмотренного конструктивного решения:
минимальные трудовые затраты на выполнение обжатия,
поскольку вдавливание клинового блока, обеспечивающее
обжатие, является одновременно завершающей операцией
по монтажу кольца; отсутствие операции перекрепления
обжатого кольца на какие-либо фиксирующие элементы,

Рис. 1.25. Схема наращивания
штока домкрата откидной
трубой:
1 — шток укороченного домкрата; 2 — фиксатор;
3 — откидная труба
48

что исключает потерю достигнутого предварительного напряжения кольца; отсутствие ослаблений поперечного сечения блоков.
К недостаткам следует отнести неравномерность обжатия по периметру кольца из-за значительных (в 2–3 раза)
потерь на трение обделки по грунту; неравномерность создаваемого обжатия от кольца к кольцу. В отдельных случаях усилие на задавливание клина, а следовательно, и
усилие обжатия оказываются столь большими, что это приводит к разрушению торца клинового блока под подушкой
домкрата. В других случаях клиновой блок свободно без
усилия входит в зазор между смежными блоками, не создавая никакого усилия обжатия. Этот недостаток может быть
устранен применением набора клиновых блоков с различной шириной торцов или применением укороченного клинового блока. Однако в этом случае требуется омоноличивание окон в замке обделки, что весьма затруднительно.
Обделка рассмотренного типа наиболее приемлема в
устойчивых глинистых грунтах при небольших (до 4–4,5 м)
диаметрах.
Другим способом обжатия является обжатие двумя гидравлическими домкратами, размещаемыми в кольце на
уровне, близком к горизонтальному диаметру.
Кольцо обделки (рис. 1.26) состоит из четырех типоразмеров
блоков: нормальных, лоткового, ключевого и домкратных. В
каждом домкратном блоке у продольного торца, примыкающего к распорному стыку, устроены сквозные прямоугольные вырезы. Все продольные стыки цилиндрические выпукло-вогнутые.
После монтажа кольца под оболочкой щита в окна, образованные двумя вырезами соседних домкратных блоков,
вставляются домкраты, и с их помощью верхняя половина
кольца поднимается до максимального приближения к оболочке щита. Затем щит передвигается вперед, и теми же
домкратами обжимается в грунт вышедшее из-под оболочки кольцо. Усилие обжатия фиксируется по показаниям
манометров домкратов.
49

Рис. 1.27. Схема обжатия обделки выносным устройством:
Рис. 1.26. Обделка, обжатая в грунт с уровня горизонтального
диаметра:

а — домкратным; б — рычажным; 1 — домкрат; 2 — ниша;
3 — шпилька; 4 — динамометр

а — кольцо обделки; б — обжимаемый стык до обжатия; в — то же
после обжатия и фиксации; 1 — вырезы в домкратных блоках;
2 — домкрат; 3 — железобетонные вкладыши; 4 — стальные клинья

Чтобы исключить ослабление домкратных блоков окнами и последующее их омоноличивание, обжатие может производиться выносным домкратным устройством, опорные
части которого упираются в неглубокие ниши (рис. 1.27, а),
или выносным рычажным устройством (рис. 1.27, б), усилие
в котором создается винтовой парой. В этом случае усилие
обжатия не превышает 0,5 кН.
Для исключения работы штока домкратов на изгиб, который
возникает в результате поворота блоков в стыках, может быть
применено специальное разжимающее устройство (рис. 1.28), размещаемое вне сечения кольца. Устройство исключает также
ослабление блоков и упрощает их конструктивную форму.
В образовавшиеся в распорных стыках после завершения
обжатия зазоры вставляют вкладыши и клинья, фиксируя
полученное напряженное состояние кольца (рис. 1.29).
50

Рис. 1.28. Выносное разжимающее устройство:
1 — разжимающие консоли; 2 — шарниры; 3 — домкрат; 4 — прорези
в корпусе; 5 — подвижная каретка; 6 — корпус; 7 — стальной палец
51

Рис. 1.29. Фиксирующие вкладыши и
клинья в распорном стыке:
1 — вкладыш; 2 — стальной или чугунный клин; 3 — стальная или чугунная
прокладка

Перекрепление обжатого кольца
может производиться при помощи
вставляемого в распорный стык винтового устройства (рис. 1.30).
После снятия домкратов окна в
блоках заполняют бетонными или
железобетонными вкладышами на
растворе или омоноличивают.
Обжатие с уровня горизонтального диаметра кольца существенно уменьшает потери усилия обжатия за счет трения. Еще
одним достоинством является возможность получения необходимого усилия обжатия, которое может быть зафиксировано по манометрам домкратов.

Рис. 1.30. Схема фиксирующего винтового устройства:
1 — домкрат; 2 — винтовое устройство; 3 — вкладыш; 4 — шпилька;
5 — упорная шайба; 6 — сварка; 7 — гайка; 8 — отверстие под
шпильку
52

Недостатком способа является большое число операций
(установка и снятие домкратов, установка фиксирующих
элементов) при обжатии и фиксации, что существенно увеличивает трудоемкость возведения обделки. Кроме того,
сечение домкратных блоков ослаблено окнами, которые
необходимо омоноличивать. При перекреплении кольца с
домкратов на фиксирующие элементы происходит потеря
созданного усилия обжатия, которое неопределенно по величине и может изменяться от кольца к кольцу.
Обделка, обжимаемая в грунт с уровня горизонтального
диаметра, может быть применена не только в устойчивых,
но и в слабых глинистых грунтах. Возможно применение
такой обделки и в песчаных грунтах. В этом случае используют щиты со специальной упругой оболочкой.
Для обеспечения максимального удобства выполнения операций по обжатию и фиксации кольца, позволяющего снизить
трудовые затраты на возведение обделки, ее обжатие в грунт
может быть выполнено одним или двумя гидравлическими домкратами, поставленными в лотке тоннеля.
Кольцо обделки (рис. 1.31) включает нормальные блоки
Н и лотковые полублоки Л1 и Л2, а в некоторых случаях
еще и вкладыши в замке кольца. В каждом полублоке примерно на половину высоты сечения предусмотрены прямоугольные ниши 2. Продольные стыки в кольце цилиндрические выпукло-вогнутые.
Кольцо обжимается в грунт гидравлическим домкратом
1, размещаемым в нишах полублоков. В устойчивых грунтах обжатие выполняется в один прием после передвижки
щита и выхода кольца из-под оболочки. В слабых глинистых и песчаных грунтах кольцо обжимается в два приема.
Вначале до передвижения щита при помощи домкрата максимально приближают кольцо к оболочке щита, а затем
после передвижки щита и выхода кольца из-под оболочки
обжимают его в грунт.
Фиксация обжатого кольца производится при помощи
двух пар клиновых блоков — К1 и К2, которые устанавли53

Рис. 1.31. Обделка, обжатая в грунт из лотка:
а — кольцо обделки; б — обжимаемый стык до обжатия; в — то
же после обжатия и фиксации

ваются в распорный стык изнутри кольца. В этом случае
лотковые полублоки имеют скосы торцов, примыкающих к
распорному стыку.
После снятия домкратов в нишу устанавливают на растворе бетонный вкладыш В.
Недостатки рассмотренного конструктивного решения:
необходимость расчленения одного лоткового блока на два
полублока, необходимость создания в домкрате значительного распорного усилия для получения требуемого обжатия
в верхней части кольца.
Обжатие кольца обделки из лотка может производиться
двумя домкратами, установленными в стыки между лотковым Л и нормальным Н блоками (рис. 1.32). В торцах лоткового блока предусматривают ниши 1, в которые после
монтажа кольца устанавливают домкраты 2. После выполнения обжатия его фиксируют двумя вкладышами В1, снимают домкраты и в ниши устанавливают на растворе вкладыши В2 и В3.
54

Рис. 1.32. Схема обжатия обделки из стыков между лотковым
и нормальным блоками:
а — до начала обжатия; б — после обжатия и фиксации

Обжатие из лотковой части кольца целесообразно для
случаев, когда нет необходимости в получении значительного обжатия в замке обделки.
1.6. Обеспечение водонепроницаемости обделок
из сборного железобетона
Одна из важнейших и до конца нерешенных проблем в
области сборных железобетонных обделок — обеспечение
их водонепроницаемости. Это сдерживает широкое внедрение таких обделок для обводненных условий. Водонепроницаемость сборной железобетонной обделки может быть
обеспечена только при комплексном решении — условии
обеспечения водонепроницаемости самих железобетонных
элементов, стыков и разных отверстий (болтовых, для нагнетания и др.).
Водонепроницаемость самих железобетонных элементов
решают различными путями: повышением плотности бетона
55

соответствующим строго контролируемым подбором его
состава и технологии изготовления элементов; применением
специальных приемов обработки железобетонных элементов
при их изготовлении; введением в состав бетонной смеси
добавок, способствующих водонепроницаемости бетона;
пропитыванием бетона гидроизолирующими составами.
Высокая плотность бетона достигается при использовании
быстросхватывающихся цементов марок 400–500 и выше в
сочетании с низким водоцементным отношением (0, 3) и
размером крупного заполнителя до 60 мм в сочетании
с оптимальным расходом цемента (до 350 кг/м3) и песка
(до 500 кг/м3). Такая жесткая бетонная смесь дает возможность получить высокую плотность бетона, но при ее уплотнении в формах на высокочастотных виброплощадках
возможно отслаивание бетона от арматуры и закладных
частей, приводящее к образованию фильтрации воды. Чтобы избежать этого явления, необходимо регулировать продолжительность и режим вибрирования с учетом массы изделия, его толщины и даже положения формы изделия на
виброплощадке. Положительные результаты достигаются
введением в бетонную смесь строго дозированных пластифицирующих добавок, суперпластификаторов, например,
на основе нафталина марки С-3.
На водопроницаемость железобетонного элемента оказывают влияние такие факторы технологии изготовления, как
масса гравитационного пригруза, накладываемого на изделие. В процессе пригружения с одновременным вибрированием происходит не только уплотнение бетонной смеси и
перераспределение ее по форме в соответствии с конфигурацией железобетонного элемента, но и деформация арматурного каркаса. После снятия пригруза каркас распрямляется, разрушая свежеуплотненную смесь.
Для предотвращения деформации арматурного каркаса
может быть применено дозированное виброформование, при
котором заполнение форм производится через решетчатую
диафрагму с размерами отверстий, обеспечивающими про56

ход бетонной смеси через них только при включенной вибрации. В этом случае при включении вибрации разрыв смеси происходит по низу диафрагмы. Заполнение формы через
диафрагму ведется постепенно; при наложении пригруза
перераспределения бетонной смеси и смещения стержней
каркаса не происходит.
Этим же целям может служить использование подвижных
бетонных смесей, укладываемых в формы с крышками.
Формование под крышкой позволяет получить точные геометрические размеры железобетонного элемента по толщине, но предъявляет повышенные требования к эффективности виброуплотнения, качеству заполнителей и стабильности состава бетонной смеси.
Одним из направлений решения проблемы водонепроницаемости железобетонных элементов является применение
различных гидроизоляционных покрытий их поверхности. В
качестве материалов покрытий должны применяться высокопрочные материалы, обладающие хорошей адгезионной
способностью и достаточными деформативными свойствами, например фурановая мастика, герметики 14 ТЭП-4,
14 ТЭП-7.
Перспективны покрытия в виде коллоидного раствора
полимерной смолы ЭД-5 и полиэтиленполиамина, водного
раствора кубового остатка продуктов окисления углеводородного сырья на катализаторе в частности парафина.
Пленки покрытий из этих составов толщиной 1–1,5 мм при
испытаниях в натурных условиях выдержали статическое
давление до 0,5 МПа.
Недостатком поверхностных покрытий является возможность механического повреждения покрытия при транспортировании и монтаже элементов.
В последнее время для получения водонепроницаемых
железобетонных элементов тоннельной обделки начали применять бетоны на напрягающем цементе. Такой бетон обладает свойствами при твердении увеличиваться в объеме по
трем измерениям. При невозможности расширения бетон
57

становится самонапряженным и уплотненным, не пропускающим напорную воду.
Перспективны для железобетонных обделок бетон со
стальными волокнами (фибробетон), полимербетон, в котором в качестве вяжущего применяется фурфуролацетоновый мономер ФА с бензосульфокислотой, выполняющей
роль отвердителя.
Водонепроницаемость швов достигается по аналогии с
чугунными обделками чеканкой замазками из ВРЦ или
БУСа.
В качестве материала замазки для чеканки разработаны
полимерцементные композиции на основе глиноземистого
цемента М400 и эпоксидной смолы ЭД-20. Они обладают
улучшенными деформативными и адгезионными свойствами по сравнению с традиционными, более высокой водонепроницаемостью и химической стойкостью. Для увеличения
водонепроницаемости швов торцы соприкасающихся блоков могут быть покрыты специальными мастиками, приготовленными на основе эпоксидных смол, клеями на той же
основе.
Отверстия изолируют при помощи асбобитумных или
пластмассовых шайб, прижимаемых стальными сферическими шайбами или пробками.

Глава 2
РАСЧЕТ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК
КРУГОВОГО ОЧЕРТАНИЯ
2.1. Определение нагрузок
Горное давление. Нагрузку от горного давления на круговые обделки железнодорожных и автодорожных тоннелей определяют в соответствии с указаниями СНиП II-44-78 и СНиП 3204-97, а для тоннелей метрополитена — в соответствии с указаниями СНиП II-40-80. Основные положения о сочетании нагрузок на тоннельные обделки изложены в гл. 7, часть 2.
Для сборных обделок одиночных тоннелей метрополитена наружным диаметром Dн равным 5,5 м, сооружаемых закрытым
способом в однородных грунтах, толщина которых над тоннелем
Z более или равна Dн (рис. 2.1), нормативную вертикальную нагрузку qн от горного давления и коэффициенты перегрузок nq определяют по таблицам, приведенным в СНиП II-40-80. При этом
тоннели рассматривают как одиночные, если расстояние между
их обделками в свету составляет в скальных и плотных грунтах
не менее половины Dн, а в прочих грунтах не менее Dн.

Контрольные вопросы
1. В чем заключается сущность щитового и специальных способов
проходки?
2. Каковы преимущества сборных круговых тоннельных обделок?
3. В каких условиях целесообразно применение чугунных тюбинговых обделок?
4. Как выполняют гидроизоляцию сборных тоннельных обделок?
5. При каких условиях возможна эффективная реализация обжатия
обделки в грунт?

58

Рис. 2.1. Схема
определения горного
давления на тоннель
диаметром 5,5 м:
1–1 — граница между
слоями грунтов

59

В случае если толщина z менее Dн, а выше залегают более слабые грунты, значение qн, кН/м2, определяют по формуле
z q zн − q 0н
,
q н = q zн −
(2.1)
Dн

(

)

где qzн и q0н — табличные значения нормативных вертикальных нагрузок соответственно для вышерасположенного более
слабого грунта и грунта, в котором залегает тоннель

Для тоннелей, расположенных в глинистых грунтах на
глубине более 45 м, нормативную вертикальную нагрузку
от горного давления принимают с коэффициентом k = H/45,
где Н — глубина заложения тоннеля, м, считая от поверхности земли до низа обделки.
При заложении тоннелей в глинистых грунтах с притоком подземных вод в выработку нормативная нагрузка от
горного давления увеличивается до 30%.
Для тоннелей других наружных диаметров, но не более
9,5 м, нормативную вертикальную нагрузку от горного
давления определяют по изложенной выше методике с последующим умножением величины qн на коэффициент Dн/5,5.
При мелком заложении тоннеля может оказаться, что
величина qн, определенная по таблицам СНиП II-40-80 или
по формуле (2.1), меньше нагрузки от веса всей толщи грунта над тоннелем. В этом случае величину qн принимают
равной значению этого веса (рис. 2.2):

СНиП II-40-80, нормативное
вертикальное горное давление qн, кН/м2, на круговые
обделки может быть определено по теории Протодьяконова
при условии, что H > 2h1,
(рис. 2.3), где h1 — высота
свода давления.
Если сводообразование невозможно (H < 2h1), а также при
заложении тоннеля кругового
очертания в слабых глинистых
грунтах, в водонасыщенных
песках, илах, плывунах, грунтах, переходящих в условиях
эксплуатации в разжиженное
состояние, нормативную вер-

Рис. 2.2. Схема определения
горного давления по весу
толщи грунта над тоннелем

i =n

q = g ∑ ρ i hi ,
i =1

где g — ускорение свободного падения, 9,81 м/с2;
ρi — плотность грунта i-го слоя, принимаемая по данным лабораторных исследований, т/м3;
hi — толщина 1-го слоя грунта, м;
n — число слоев грунта над тоннелем.

Для тоннелей, залегающих в грунтах, которые допускают сводообразование, но не представлены в таблицах
60

Рис. 2.3. Схема определения горного давления по сводообразованию
61

тикальную нагрузку от горного давления принимают равной
нагрузке от веса всей толщи грунта над тоннелем.
Нормативная горизонтальная нагрузка от горного давления ρн, кН/м2, на обделку независимо от соотношения z и Dн
определяется но формуле


ϕн 
,
ρ н = q н tg 2  45° −
2


где

ϕ н — нормативный угол внутреннего трения грунта, град, получаемый по результатам лабораторных исследований грунта.

Нормативную горизонтальную нагрузку от горного давления на круговые обделки из монолитно-прессованного
бетона принимают равной: для песчаных грунтов 0,7, для
глинистых грунтов 0,8 вертикальной нагрузки, для скальных грунтов на основании результатов исследований.
При заложении тоннеля в слабых глинистых грунтах в
водонасыщенных песках, илах, плывунах, грунтах, переходящих в условиях эксплуатации в разжиженное состояние,
нормативную горизонтальную нагрузку принимают равной
0,75 нормативной вертикальной.
Расчетные нагрузки на обделку от горного давления q и
р определяют умножением нормативной нагрузки на коэффициенты перегрузок, приведенные в СНиП II-44-78 и
СНиП II-40-80 и СНиП 32-04-97.
Нагрузка от собственного веса обделки. При расчете
обделки на основное сочетание нагрузок в рабочей стадии
нагрузку от собственного веса учитывают для колец сборной железобетонной обделки без связей в кольцевых бортах,
если она составляет не менее 5% нагрузки от вертикального горного давления. Тогда нагрузку от собственного веса
принимают равномерно распределенной по проекции горизонтального диаметра обделки и суммируют с расчетным
вертикальным горным давлением.
Для тюбинговых чугунных и железобетонных обделок собственный вес учитывают как нагрузку, распределенную по контуру кольца при расчете в монтажной стадии (см. п. 2.2).
62

Гидростатическое давление. Нагрузка от гидростатического давления действует по нормали к наружной поверхности тоннельной обделки. Ее интенсивность зависит от положения точек контура кольца по отношению к уровню воды
hw (рис. 2.4). Эпюра этой нагрузки может быть разделена на
радиальную равномерно распределенную по контуру кольца с нормативной интенсивностью ρghw (кН/м2) и радиальную серповидную с нормативной интенсивностью, изменяющейся от нуля в замке кольца до ρgDн (кН/м2) в лотковом
сечении.

Рис. 2.4. Схема определения гидростатического давления
на обделку

Равномерно распределенная составляющая гидростатической нагрузки вызывает в любом сечении кольца только
сжатие нормальной силой N =

Dн
hw . От второй составляю2

щей в сечениях кольца возникают, помимо нормальной
силы, изгибающие моменты.
Как правило, гидростатическое давление в целом улучшает статическую работу кольца обделки, поскольку создает в его сечениях значительную нормальную силу, передающуюся с незначительным эксцентриситетом. Поэтому
этот вид нагрузки следует учитывать лишь при гарантиро63

ванной герметизации обделки и условии сохранения постоянного уровня воды на весь период эксплуатации тоннеля.
Сейсмические нагрузки. К таким нагрузкам, воздействующим на тоннельную обделку при землетрясениях, относятся: инерционная нагрузка от собственного веса обделки,
сейсмическое инерционное горное давление, сейсмическое
неинерционное горное давление. Эти нагрузки учитывают
для тоннелей, возводимых в районах сейсмичностью 7 баллов и более.
Инерционную нагрузку от собственного веса обделки
прикладывают в виде сосредоточенных сил Sn в каждую
вершину вписанного многоугольника расчетной схемы
кольца в верхней его половине (рис. 2.5). Инерционная нагрузка от собственного веса обделки нижней половины
кольца полностью передается на основание, и от нее внутренние усилия в обделке не возникают.

Рис. 2.5. Схема определения сейсмической инерционной нагрузки
от собственного веса обделки
64

Сосредоточенная сила Sn зависит от периода и формы
собственных колебаний обделки как системы материальных
точек, коэффициента сейсмичности kc и собственного веса
кольца обделки шириной 1 м, сосредоточенного в точке n.
Сейсмическое инерционное давление представляет собой
нагрузку, вызванную инерционными силами веса грунта
при колебаниях. Его рассматривают равномерно распределенным по пролету и высоте кольца обделки.
Расчетные значения вертикальной qc и горизонтальной рc
нагрузок от сейсмического инерционного горного давления,
кН/м2, определяют умножением соответствующих нагрузок
от горного давления на коэффициент kc.
Сейсмическое неинерционное горное давление рг, кН/м2,
вызывается изменением напряженного состояния массива
грунта в результате прохождения по нему сейсмической
волны и принимается радиальным. Значение этого давления
зависит от нормативного сейсмического напряжения в грунте, возникающего при распространении в массиве сейсмической волны, от угловой координаты θ сечения, отсчитываемой от направления действия сейсмической волны, от
соотношения упругих характеристик грунта и материала
обделки, от соотношения наружного Rн и внутреннего Rв
радиусов обделки (рис. 2.6).
Направление действия сейсмической волны может быть
любым в плоскости поперечного сечения обделки, но при
расчете должно приниматься таким, при котором создается
наиболее неблагоприятное сочетание нагрузок на обделку.
Величина рг может быть определена по формулам, приведенным в Методических рекомендациях по учету сейсмических условий при проектировании горных транспортных
тоннелей (ВНИИ трансп. стр-ва Минтрансстроя, 1975 г.).
2.2. Стадии работы тоннельной обделки
Кольцо сборной круговой тоннельной обделки монтируют под оболочкой щита или непосредственно внутри грунтового контура выработки. Зазор между обделкой и конту65

Рис. 2.6. Схема определения сейсмического неинерционного
горного давления на обделку:
А — направление действия сейсмической волны

ром выработки устраняют нагнетанием в него цементнопесчаного раствора и цементного молока, а для обжатых
обделок — обжатием кольца в грунт с последующим контрольным нагнетанием за него цементного молока.
Различают две стадии статической работы тоннельной
обделки: монтажную — от момента окончания монтажа
кольца до момента гарантированного контакта с грунтовым массивом и рабочую — от момента начала гарантированного контакта с грунтовым массивом на весь последующий период. При этом прочность обделки должна быть
обеспечена в наиболее неблагоприятных условиях, что в
ряде случаев требует расчета обделки в монтажной стадии,
когда на кольцо обделки действует только собственный вес
и вес опирающегося на кольцо монтажного оборудования.
Кольца тюбинговых обделок, имеющих болтовые связи
по кольцевым бортам, монтируют без поддерживающих
66

устройств. Болтовые связи по продольным стыкам в таких
обделках обеспечивают возможность статической работы
кольца в монтажной стадии как упругого, свободно опирающегося на основание (оболочку щита или грунтовой контур выработки) по дуге с центральным углом 2α, соответствующим центральному углу лоткового элемента, уложенного симметрично вертикальной оси обделки (рис. 2.7).
При расположении укладчика в повышенном уровне его
вес. распределенный на несколько колец обделки, будет
действовать как сосредоточенная сила Р, приложенная в
месте опирания укладчика на кольцо (рис. 2.7, а). Для ограничения деформации кольца, свободно опирающегося на
грунтовое основание, в монтажной стадии в каждом кольце
может потребоваться установка монтажных стяжек диаметром 45–50 мм со стяжными муфтами.
Наиболее эффективна установка стяжек на уровне горизонтального диаметра кольца, но такое их положение создает неудобства при перемещении укладчика. При больших
диаметрах обделки прибегают к постановке дополнительных стяжек в верхней части кольца в пределах центрального угла 60–70°.
Современные укладчики, как правило, опирают на лотковую часть кольца в пределах центрального угла 2α. Тог-

Рис. 2.7. Расчетная схема кольца обделки в монтажной стадии
67

да вес укладчика передается непосредственно на грунтовое
основание, не вызывая в обделке внутренних усилий. В этом
случае кольцо в монтажной стадии работает только на
действие собственного веса (рис. 2.7, б), от которого в сечениях кольца возникают изгибающие моменты М и нормальные силы N:

0< Θ< π−α
M Θ = A[α − Θ sin Θ sinα − cos Θ(1,5 sinα − α cos α )]; 

A
N Θ = [Θ sin Θ sinα − cos Θ(0,5 sinα − α cos α )]; 
r

при Θ = π
M Θ = A[1,5 sinα − (1 − cos α )];


A
N Θ = [π − 0,5 sinα − (π − α )cos α ];

r
где

A=

(2.2)

(2.3)

Gr
; вес 1 м обделки тоннеля, кН;
2π sinα

r — расчетный радиус обделки, м.

Последующее нагнетание раствора за обделку фиксирует напряженное состояние кольца в монтажной стадии, поэтому оно должно быть суммировано с напряженным состоянием кольца в рабочей стадии.
Кольца блочных железобетонных обделок без болтовых
связей по кольцевым бортам монтируют с поддержкой верхней части кольца выдвижными балками укладчика, который опирают на лотковый элемент. Для обеспечения правильного очертания кольца нижние элементы подклинивают в грунтовой контур выработки и оболочку щита. В этом
случае в кольце в монтажной стадии не возникает внутренних усилий в сечениях. Собственный вес кольца учитывают
в рабочей стадии статической работы обделки как добавку
к вертикальной нагрузке.
В рабочей стадии статической работы тоннель кругового очертания представляет собой пространственную труб68

чатую конструкцию, поперечное сечение которой существенно меньше ее длины. Это обстоятельство позволяет
при определении напряженного состояния тоннельной обделки рассматривать плоскую расчетную схему в виде вырезанного кольца шириной, равной 1 м. Для сборных обделок
кольца выделены конструктивно, особенно если между
ними нет связей растяжения.
Тоннельная обделка, а следовательно, и вырезанное кольцо имеют по всему контуру плотный контакт с окружающим грунтовым массивом. Это обеспечивает совместность
деформаций обделки и грунтового контура и позволяет
рассматривать обделку и окружающий ее грунт как единую систему.
Расчетная схема кольца в рабочей стадии зависит от
типа обделки, упругих характеристик грунта, характера
работы связей в продольных стыках, способа включения
обделки в совместную работу с грунтовым массивом, вида
нагрузок на обделку и тех упрощающих допущений, которые положены в основу расчетной схемы.
Кольцо обделки с болтовыми связями по продольным
стыкам между элементами рассматривают как упругое,
ось которого сохраняет под нагрузкой плавное без переломов очертание, если болтовые связи препятствуют раскрытию стыков и работают в упругой стадии (связи растяжения). Такая схема работы кольца наиболее характерна для
чугунных тюбинговых обделок, которые применяют в обводненных условиях, где раскрытие стыков недопустимо по
условию гидроизоляции тоннеля. При некоторых ограничениях (недопустимость появления трещин в бортах, местного
разрушения бетона в местах постановки болтов) кольцо
сборной железобетонной тюбинговой обделки также можно
рассматривать как упругое.
В железобетонных тюбинговых обделках с болтовыми
связями по продольным стыкам, где не гарантирована работа кольца без раскрытия стыков, а также в железобетонных
обделках из блоков сплошного и ребристого сечений, где
69

болтовые связи отсутствуют, кольцо обделки под нагрузками получает переломы своей оси в местах продольных
стыков. В этом случае стыки рассматривают как полные
шарниры (стыковой момент Мст равен нулю). Фактическую
степень шарнирности стыка учитывают дополнительно.
Кольцо обделки представляет собой многошарнирную конструкцию, геометрическая неизменяемость которой обеспечена за счет совместной работы с окружающим грунтом.
Шарниры поставлены в места всех продольных стыков; при
этом два стыка замкового элемента вследствие небольшой
его длины рассматриваются как один и шарнир располагается на вертикальной оси кольца.
2.3. Обделки со связями растяжения в стыках
Расчет обделки как свободно деформирующегося кольца.
При заложении тоннеля в слабых водонасыщенных грунтах
(илы, плывуны, текучие супеси и суглинки) с коэффициентом упругого отпора k, не превышающим 30–50 Н/см3, которые практически не препятствуют развитию деформаций
кольца, как правило, применяют чугунную тюбинговую
обделку. Расчетную схему такой обделки в рабочей стадии
принимают в виде упругого свободно деформирующегося
кольца постоянной жесткости, заделанного в нижней точке
и находящегося под действием внешних нагрузок q, p1, p2, qw
и уравновешивающей вертикальной составляющей реакции
грунта K, равномерно распределенной по горизонтальной
проекции кольца (рис. 2.8):

K =q−

πr
.
2

В запас прочности конструкции горизонтальную составляющую реакции грунта не учитывают.
Напряженное состояние кольца получается суммированием
напряженных состояний в монтажной и рабочей стадиях.
В монтажной стадии возникающие от действия собственного веса кольца в любом его сечении под углом Θ изгибающие моменты и нормальные силы определяют по форму70

Рис. 2.8. Расчетная схема обделки как свободно
деформирующегося кольца:
1 — фиктивная заделка

лам (2.2) и (2.З), а в рабочей стадии — по формулам, приведенным в табл. 2.1.
Расчет обделки как кольца в упругой среде. При заложении тоннеля в грунтах, способных препятствовать развитию
деформаций обделки под нагрузками, кольцо обделки рассматривают как упругое в упругой среде (рис. 2.9). Деформации кольца в верхней части в пределах центрального угла
2ϕ 0 направлены от грунта (безотпорная зона), а на остальной части — на грунт, со стороны которого возникает упругий отпор (рис. 2.9, а). По данным практических расчетов
угол 2ϕ 0 для тюбинговых обделок равен 70–120°.
Расчет кольца в упругой среде обычно выполняют, используя условную схему (рис. 2.9, б), в которой упругая
71

Рис. 2.9. Схема взаимодействия кольца обделки и грунтовой среды:
а — действительная; б — условная; 1 — эпюра упругого отпора;
2 — упругие опоры

среда заменена упругими опорами. Расчетную схему принимают с учетом изложенных в главах 2 и 7 часть 2 допущений в зависимости от принятого метода строительной механики.
Круговую ось кольца заменяют стержневым вписанным шестнадцатиугольником (центральный угол стороны ϕ = 22° 30'),
что обеспечивает необходимую для практических целей точность
расчета. В пределах стороны многоугольника жесткость
стержней принимают постоянной; распределенные внешние
нагрузки заменяют сосредоточенными силами, поставленными в вершины многоугольника; распределенный упругий
отпор заменяют реакциями упругих опор, поставленных
в вершины многоугольника. Расчетная схема кольца
(рис. 2.10, а) является статически неопределимой; в качестве основной системы при расчете по методу сил для нее
принимают ту же схему, но с удаленными связями, препятствующими взаимному угловому перемещению стержней,
сходящихся в вершинах многоугольника в местах расположения упругих опор и замке кольца (рис. 2.10, б). В местах
удаленных связей прикладывают парные изгибающие моменты, являющиеся лишними неизвестными.
72

Рис. 2.10. Расчетная схема и основная система обделки на упругих
опорах

Усилия в основной системе находятся в соответствии с
указаниями п. 7.3 часть 2 и изображаются на развертке полуоси обделки аналогично рис. 7.4 — часть 2.
Перемещения основной системы определяют, по формуле
(7.2) — часть 2 при заложении обделки в грунтах с коэффициентом упругого отпора k > 100 Н/м3. При заложении обделки в грунтах c k < 100 Н/м3 вторым слагаемым в этой
формуле, учитывающим перемещения от обжатия стержней
продольной силой, можно пренебречь и определять перемещения по двучленной формуле:

δ ik = δ ikM + δ ikR = ∑ ∫
где

M i M k ds
RR
+∑ i k.
EI m
Dm

(2.4)

Е — модуль упругости;
Im — момент инерции сечения m-го стержня основной системы;
Dm — характеристика жесткости для всех опор, кроме нижней;
Dm = D – kab.

Контроль правильности определения перемещений производят по формуле (2.4).

73

Лишние неизвестные Mn определяют из решения системы
канонических уравнений, каждое из которых отрицает взаимный угол поворота двух стержней, сходящихся в вершине многоугольника:

r r
AX + ∆ p = 0,

(2.5)

r
где А и ∆ p — соответственно матрица единичных и вектор грузовых перемещений основной системы;
r
—
вектор неизвестных.
X
В общем случае

δ 00
δ
A = 10
M
δ 70

Характер
нагрузки

∆0p
δ 01 L δ 07
M0
∆1 p r
δ 11 L δ 17 r
M1
; ∆p =
; X =
.
M
M
M
M
M
∆7 p
δ 71 L δ 77
M7

Пределы

Формулы для определения усилий в произвольном

применимости

сечении обделки

формул

M

N

qr 2 (0,193 + 0,106 cos Θ −
−0,5 sin2 Θ )

qr (sin 2 Θ − 0,106 cos Θ )

qr 2 (0 ,693 + 0 ,106 cos Θ −

qr (sin Θ − 0 ,106 cos Θ )

0≤ Θ≤π

− r 2 (0,5 − 0 ,25 cos Θ −
−0,5Θ sin Θ )

r 2 (1 − 0,25 cos Θ −
− 0,5Θ sin Θ + hw r )

Р1

0≤ Θ ≤π

p1 r 2 (0,25 − 0,5 cos 2 Θ )

p1r cos2 Θ

Р2

0≤ Θ ≤π

p2 r 2 (0,25 sin 2 Θ + 0,083 cos 3 Θ −
− 0,063 cos Θ − 0,0125)

+ 0,5 cos Θ − 0,25 cos 2 Θ

Kr 2 (0,057 − 0,106 cos Θ )

0,106 Kr cos Θ

Kr 2 (− 0,433 + sin Θ −
− 0,106 cos Θ − 0,5 sin 2 Θ )

Kr sin 2 Θ − sin Θ +
+ 0 ,106 cos Θ )

Вертикальное
давление

0≤Θ≤

грунта q

π
2

π
≤ Θ ≤π
2
Давление
воды qw

− sin Θ )

Горизонтальное
давление

(2.6)

Окончательные значения изгибающих моментов, нормальных сил и реакций упругих опор определяют по формулам (7.4) — часть 2.
Правильность статического расчета проверяют по равенству нулю угла поворота замкового сечения, что соответствует равенству нулю приведенной площади окончательной эпюры изгибающих моментов:

 ωm 
 = 0 ,
 m

∑  I

где ωm — площадь эпюры моментов на m-м стержне, имеющем момент
инерции Im.

При расчете по методу перемещений в расчетной схеме в
вершинах многоугольника ставят по две упругие опоры,
каждая из которых перпендикулярна стержню, сходящемуся
в вершине (рис. 2.11, а). Основная система получается путем наложения трех связей в каждый узел расчетной схемы:
74

Т а б л и ц а 2.1

грунта:

Вертикальная
реакция

0≤Θ≤

π

2

p2 r cos Θ(0,063 +

)

грунта К
π
≤ Θ ≤π
2

(

заделки, препятствующей повороту узла, и двух опор, каждая из которых препятствует линейному смещению узла в
направлении координатных осей x и y (рис. 2.11, б). Лишними неизвестными являются угол поворота ∆ϕ , горизонтальное ∆x и вертикальное ∆y смещения наложенных в узле связей. При симметричной расчетной схеме рассматривают
половину основной системы. В этом случае величины углов
поворота и горизонтального смещения узлов, расположенных на вертикальном диаметре кольца, равны нулю, что
учитывается при подготовке исходной информации для расчета на ЭВМ.
75

N My
±
≤R
F
I
где N и M — усилия в сечении кольца шириной b;
F и I — площадь и момент инерции рабочего сечения тюбинга;
y — расстояние от нейтральной оси до соответствующей
кромки сечения;
R — расчетное сопротивление чугуна сжатию или растяжению.

Рис. 2.11. Расчетная схема и узел основной системы для обделки
на упругих опорах при расчете по методу перемещений

При расчете по методу перемещений число лишних неизвестных резко возрастает, но упрощается реализация расчета на ЭВM.
При минимуме вводимой в ЭВМ исходной информации достигается высокая степень точности напряженного состояния кольца,
поскольку протяженность безотпорной зоны определяется в процессе расчета автоматически. В этом случае в расчетной схеме
кольца (см. рис. 2.11, а) упругие опоры ставятся во все вершины
вписанного многоугольника, включая и безотпорную зону.
Программа расчета обделки по методу перемещений разработана на кафедре строительной механики МИИТа и легко реализуется на любой ЭВМ.
Изложенные методы расчета кольца в упругой среде
имеют один существенный недостаток: они основаны на
гипотезе местных деформаций с использованием коэффициента упругого отпора k, который не является физико-механической характеристикой грунта.
Проверка прочности сечения чугунного тюбинга. Прочность сечения проверяется на максимальный положительный и максимальный отрицательный моменты по формуле
внецентренного сжатия:
76

При действии в сечении максимального положительного
момента, растягивающего внутреннюю кромку (замковое
сечение), определяющим условием прочности является условие по растяжению, а при действии максимального отрицательного момента (сечение примерно под углом 45°) —
условие по сжатию внутренней кромки.
Дополнительно должна быть проверена прочность оболочки
тюбинга толщиной t, которая работает на суммарное действие
давления грунта и воды q как плита, частично защемленная по
контуру с пролетом, принимаемым в запас прочности, вдоль оси
тоннеля l и равным расстоянию между центрами тяжести утолщений оболочки у поперечных бортов. Необходимо, чтобы

3ql 2
≤ Rp ,
8t 2
где

Rp — расчетное сопротивление чугуна на растяжение.

Проверка прочности болтового соединения тюбингов. При
работе кольца как упругого болтовое соединение должно быть
проверено на напряжение в болтах для стыков с максимальным
положительным и отрицательным моментами:

Nб
≤ Rб .с ,
kFб
где Nб — усилие в болте;
Fб — рабочая площадь сечения болта;
k — коэффициент условий работы болта на отрыв головки (k = 0,8);
Rб.с — расчетное сопротивление болтовой стали.
77

ротом вокруг точки О2 (см. рис. 2.12). Так как плечо внутреннего ряда болтов до точки О2 мало, этот ряд болтов в
запас прочности из работы исключается. И тогда усилие в
болте наружного ряда

N бн =
где

−
− N (hб − c − z )
1 M max
,
m
hб − c − S1

m — число болтов в наружном ряду, обычно m = 2.

Как правило, определяющим является расчет на положительный момент.

Рис. 2.12. Схема для определения усилий в болтах в упругой
стадии работы

При действии максимального положительного момента

+
стык стремится раскрыться изнутри кольца с повороM max

том вокруг точки О1 (рис. 2.12). Усилия, приходящиеся на
болты внутреннего и наружного рядов, принимают пропорциональными плечам до точки О1. Тогда усилие в болте
наиболее напряженного внутреннего ряда
+
− N (z − r )
1 M max
(S 2 − r ),
N =
2
m (S1 − r ) + (S 2 − r )2
в
б

где m — число болтов во внутреннем ряду (m = 2 при двух болтах в
ряду, m = 2,5 при трех болтах в ряду);
N — нормальная сила в рассматриваемом замковом сечении.

При действии максимального отрицательного момента

−
стык стремится раскрыться снаружи кольца с повоM max

78

2.4. Обделки без связей растяжения в стыках
Особенности работы и статического расчета. Сборные
железобетонные обделки из блоков сплошного и ребристого
сечения, как правило, не имеют связей растяжения по продольным стыкам. При работе под нагрузкой стыки могут
раскрываться с внутренней или наружной стороны.
В обделках из железобетонных тюбингов и в некоторых
обделках из ребристых блоков (см. гл. 1) болтовые связи по
продольным стыкам также не могут в полной мере исключить раскрытие стыков из-за различных деформативных
характеристик бетона и болтовой стали и относительно
невысоких допусков геометрических размеров элемента при
изготовлении.
Железобетонные обделки с плоскими стыками могут
иметь начальные зазоры в стыках еще до начала работы
кольца под нагрузками. Причинами этих зазоров являются
неточности геометрических размеров элементов, неточности монтажа и другие трудно учитываемые случайные факторы.
Начальные зазоры в стыках и раскрытие стыков при
работе кольца под нагрузкой приводят к тому, что нормальная сила в стыках передается не по всей площади торца элемента, а лишь по некоторой площадке, смещенной к
наружной или внутренней грани элемента. В результате
плавная ось кольца в местах стыков получает переломы, а
79

в стыках возникает значительный изгибающий момент соответствующего знака. Даже в обделках с шарнирными
стыками (цилиндрическими выпукло-вогнутыми, с упругой
прокладкой) нормальная сила передается с некоторым незначительным эксцентриситетом.
Стыковые изгибающие моменты должны быть учтены
при определении напряженного состояния кольца в наиболее
невыгодном сочетании, что весьма сложно, поскольку заранее неизвестны местоположение, характер и ширина раскрытия стыков. Поэтому при установлении напряженного
состояния кольца сборной железобетонной обделки прибегают к построению огибающей эпюры моментов, учитывающей оба знака эксцентриситета нормальной силы в стыках,
а стыковые моменты определяют по наибольшему возможному значению с учетом конкретного типа стыка.
Расчет кольца сборной железобетонной обделки выполняют в два этапа. На первом этапе все продольные стыки
независимо от их типа принимают шарнирными (момент в
стыке равен нулю). При этом два стыка замкового элемента ввиду его небольшой длины рассматривают как один
шарнир на вертикальной оси кольца. Упругий отпор из-за
большой податливости многошарнирного кольца возникает
по всем элементам, включая нижнюю 1/3–1/4 длины смежных. Обычно при расчете упругий отпор но смежным элементам в запас прочности не учитывается. Геометрическая
неизменяемость многошарнирного кольца обделки обеспечивается совместной работой кольца с окружающим грунтовым массивом.
На втором этапе производится учет стыковых моментов
в зависимости от типа стыка с последующим построением
огибающей эпюры моментов.
Расчетная схема многошарнирного кольца в упругой
среде (рис. 2.13, а) учитывает местоположение продольных
стыков, в которых ставят шарниры. Верхняя часть кольца
представляет собой трехшарнирную арку, опирающуюся на
шарнирную стержневую цепь на упругих опорах. Вершины
80

Рис. 2.13. Расчетная схема и основная система многошарнирного
кольца обделки

многоугольника этой цепи принимают в местах стыков и
посередине (или в третях) элементов.
При расчете по методу сил основная система (рис. 2.13, б)
получается при удалении связей в серединах (или третях) элементов с прикладыванием в местах удаленных связей неизвестных парных моментов.
Расчет многошарнирной обделки в упругой среде. Расчетная схема обделки ее основная система при расчете по
методу сил изображены на рис. 2.13. Поскольку упругий
отпор в пределах опорных частей трехшарнирной арки не
учитывается, характеристику жесткости первой упругой
kab
. Так как деформации арки не
2
влияют на перемещения но направлению лишних неизвестных, ее рассчитывают без замены оси на вписанный многоугольник и распределенных нагрузок на сосредоточенные
(см. рис. 2.13).
При расчете нижней стержневой цепи на упругих опорах
длина стороны многоугольника для стандартных элементов
a = 2r sin ϕ 2 , а для лоткового aл = 2r sinϕ л 2 (при разбивке

опоры принимают равной

81

посередине). В этом случае характеристики жесткости предпоследней опоры D5 =

kb
(a + a л ) и последней D6 = kaл b .
2
2

Найденные усилия в основной системе изображаются на
развертке полуоси обделки (рис. 2.14).
Перемещения δ ik и ∆ ip определяют при k > 100 Н·м3 по
трехчленной формуле (7.2) — часть 2, а при k = 100 Н·м3 —
по двучленной формуле (2.4). Правильность их определения
проверяют по формулам:

δ ss = (n − 1)

a
R2
2a
+ л + ∑ ms = ∑ δ ik ;
3EI 3EI л
Dm

∆ sp = ∑

Rms Rmp
Dm

= ∑ ∆ ip ,

где Rms и Rmp— реакции в упругой опоре m в суммарном s и грузовом
p состояниях основной системы;
n — число стандартных элементов в полукольце обделки;
Iл — среднее значение момента инерции лоткового элемента.

Для изображенной на рис. 2.13 расчетной схемы и основной системы

δ 22 δ 24
A = δ 42 δ 44
0 δ 64

∆2p
0
M2
r
r
δ 46 ; ∆ p = ∆ 4 p ; X = M 4 .
∆6 p
δ 66
M6

уравнение (2.5) может быть решено без обращения матрицы
A, например, способом Гаусса.
При расчете многошарнирной обделки в упругой среде с
использованием метода перемещений расчетная схема и
методика расчета полностью аналогичны таковым для упругих колец с той лишь разницей, что в местах стыков
ставят шарниры.
Определение стыковых моментов сборной железобетонной
обделки. Для шарнирных стыков (цилиндрического выпукловогнутого, с упругой прокладкой) стыковой момент

M СТ = ± Ne0 ,

(2.7)

где N — нормальная сила в стыке, определенная из расчета обделки
как многошарнирного кольца, равная среднему значению
нормальных сил стержней, сходящихся в стыке, кН;
e0 — эксцентриситет нормальной силы, м, принимаемый равным
(0,05–0,1)h.
здесь h — толщина блока обделки.
Рис. 2.14. Эпюры внутренних усилий и реакций упругих опор
основной системы
82

Для плоских стыков (с болтовыми связями, монтажными
шпильками, трубчатым вкладышем) значение стыкового
83

момента зависит от того, с какой стороны происходит раскрытие стыка.
При раскрытии стыка изнутри кольца расчетная схема
действующих в стыке усилий показана на рис. 2.15, а при
раскрытии снаружи на рис. 2.16. По площадке смятия высотой x в предельном случае будут действовать напряжения,
равные расчетному сопротивлению бетона на смятие Rb, loc.
С учетом этого

x=

N + N б nб
bRb ,loc ,

(2.8)

где N — нормальная сила в стыке, определенная из расчета многошарнирного кольца, кН;
Nб — усилие в болте, определяемое по формуле

Рис. 2.16. Расчетная схема для определения момента в стыке,
раскрытом снаружи кольца

x
x


+
= N  d1 −  + N б nб  c1 − ;
M СТ
2
2



N б = Fб Rбс mб .
Здесь Fб — площадь сечения борта, см2;
Rбс— расчетное сопротивление болтовой стали, МПа;
mб — коэффициент условий работы болта;
nб — число болтов в ряду, обычно nб = 2;
b — ширина кольца обделки, см.

Стыковые моменты — максимальный положительный
+
−
и максимальный отрицательный M СТ
— определяют по
M СТ
формулам:

Рис. 2.15. Расчетная схема для определения момента в стыке,
раскрытом изнутри кольца
84

x
x


−
M СТ
= N  d 2 −  + N б nб  c2 − .
2
2


Если C 2 <

x
x
, то N б nб  с2 −  принимают равным нулю.
2
2


В случае отсутствия в стыке связей растяжения во всех
указанных формулах Nб = 0.
Построение огибающей эпюры моментов. От действия
стыковых моментов в сечениях элементов возникают изгибающие моменты, значение которых принимают прямо пропорциональным расстоянию от торца элемента до рассматриваемого сечения. Поскольку характер раскрытия стыков
заранее не известен, для каждого стыка определяют стыковые моменты обоих знаков с построением огибающей эпюры стыковых моментов (рис. 2.17, а). Суммирование ординат этой огибающей с ординатами эпюры моментов, полученной из расчета многошарнирного кольца (рис. 2.17, б),
85

кой оси. Все остальные элементы представляют собой двухшарнирные арки на упругом основании и их расчетная длина меньше.
Для гибких элементов при гибкости

l0
> 14 (l — радиус
i

инерции поперечного сечения относительно центра тяжести
сечения) учитывают увеличение расчетного эксцентриситета за счет прогиба элемента путем умножения e0 на коэффициент h, определяемый по формуле

η=
Рис. 2.17. Эпюры изгибающих моментов в блоке:
а — огибающая эпюра стыковых моментов; б — эпюра моментов в
предположении шарнирности стыков; в — суммарная огибающая
эпюра моментов; 1, 2, 3 — точки на оси блока

дает окончательную огибающую по каждому элементу
кольца, учитывающую наиболее неблагоприятную передачу нормальной силы в стыках (рис. 2.17, в).
Проверка прочности сечения железобетонного элемента.
В сечениях элементов сборных железобетонных обделок
действуют моменты разных знаков. Для обеспечения взаимозаменяемости элементов в кольце их армируют симметричной арматурой.
Проверку прочности производят в соответствии с указаниями СНиП 2.03.01-84 как для внецентренно сжатого элемента
с расчетным эксцентриситетом e0 =

M
(где M и N — момент
N

и нормальная сила в сечении).
Элемент обделки рассматривают как двухшарнирную
арку, что соответствует работе смежных с замковым элементов кольца. В этом случае расчетная длина элемента
l0 = 0,54 L, где L — длина элемента вдоль его геометричес86

1
,
N
1−
N cr

где Ncr — условная критическая сила, кН; для тяжелого бетона при
отсутствии предварительного напряжения арматуры и неучете длительности действия нагрузок

N cr =

6,4 E b  I (0,12 + 0,1δ e ) E s 
Is 
+

E b ,
l 02  0,2 + 2δ e

Eb — начальный модуль упругости бетона, МПа;
I — момент инерции сечения элемента, см4;
δ e — коэффициент, принимаемый равным e0 h , по не менее

δ e min − 0,5 − 0 ,01
h
Rb
Es
Is

—
—
—
—

l0
− 0,01Rb ,
h

высота сечения элемента, м;
расчетное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа;
модуль упругости арматуры, МПа;
момент инерции площади сечения арматуры относительно
центра тяжести сечения элемента.

Если

l0
≤ 14 , то η = 1.
i

Элементы обделки сплошного или ребристого поперечных сечений симметричны относительно плоскости дей87

ствия внутренних усилий М и N. Проверку их прочности
производят по условию (рис. 2.18)

ξR =

Ne ≤ Rb Abc z b + Rsc As′ (h0 − a ′),
где

e = e0η + h0 − z .

Высоту сжатой зоны x находят исходя из характера напряженного состояния сечения, устанавливаемого в зависимости от соотношения между значением относительной
высоты сжатой зоны бетона ξ = x h0 и значением ξ R . Для
элементов из тяжелого бетона

где

(

ω
,
Rs  ω 
1+
1 − 
500  1,1 

)

ω = 0,85 ÷ 0,008 ,
Rb — характеристика сжатой зоны бетона.

Для случая больших эксцентриситетов, когда ξ ≤ ξ R
(рис. 2.18, а), высоту сжатой зоны находят из условия

N = Rb Abc .
В частности, для сплошного прямоугольного сечения Abc = bx.
Для случая малых эксцентриситетов, когда ξ > ξ R
(рис. 2.18, б), высоту сжатой зоны находят из условия

N = Rb Abc + As′ (Rsc − σ s ).
Напряжения в растянутой арматуре σ s для элементов из
бетона классов В30 и ниже с арматурой классов А-I, А-II,
А-III определяют по формуле

x


 1−

h0

− 1Rs ,
σs = 2
 1 − ξR





а для элементов из бетона классов выше В30 — по формуле

 ωh

500 0 − 1
 x
.
σs =
ω
1−
1,1
Рис. 2.18. Расчетные схемы внецентренно сжатых элементов
обделки:
а — при ξ ≤ ξ R ; б — при ξ > ξ R ; 1 — нейтральная ось элемента;
2 — граница сжатой зоны; 3 — центр тяжести площади бетона
сжатой зоны
88

Необходимо отметить, что прямой подбор симметричной
арматуры относительно просто выполнить лишь для элементов обделки сплошного прямоугольного сечении при
условии ξ ≤ ξ R . В остальных случаях такой подбор затруднен из-за сложности используемых зависимостей. Поэтому
89

целесообразно предварительно назначать сечение арматуры по аналогии с известными решениями или по минимальному проценту армирования, принимаемому от 0,005 до
0,035, а затем, выполнив проверку прочности, при необходимости сделать соответствующую корректировку назначенного сечения арматуры.
Усиление стыков между элементами. В продольных стыках между элементами нормальная сила N передается по
ограниченной площадке, вызывая концентрацию напряжений, которая может привести к образованию трещин и отколов бетона. Поэтому, как правило, стыки должны быть
усилены сварными сетками (рис. 2.19).
Проверку прочности стыка необходимо проводить в соответствии с указаниями СНиП 2.03.01-84 по расчету на
местное смятие.
Для неармированного стыка должно быть выполнено
условие

N ≤ ψRb ,loc Aloc1 ,

(2.9)

где ψ — коэффициент, учитывающий характер распределения усилия по площадке смятия; при равномерном распределении ψ = 1, при неравномерном ψ = 0,75; Аloc 1 = bx —
площадь смятия, см2, высоту которой для плоского стыка
определяют по формуле (2.8), а для цилиндрического выпукло-вогнутого стыка с радиусами кривизны вогнутого и
выпуклого торца блока (см. рис. 2.19) соответственно r1
и r2 — по формуле

x = 3,15

N r1 r2
;
bE b r1 − r2

Rb.loc = αRb — расчетное сопротивление бетона смятию,
МПа; для бетона класса ниже В25 α = 1, для бетона класса
В25 и выше α = 13,5

Rbt
Rb (Rbt и Rb —расчетные сопротивле-

ния бетона соответственно осевому растяжению и сжатию).
При выполнении условия (2.9) стык армируют сетками
конструктивно, которые устанавливают в количестве не
менее четырех на длине от торца элемента не менее 20 d
или 10 d соответственно для гладкой арматуры и арматуры
периодического профиля (d — диаметр рабочей арматуры
элемента обделки). Размеры ячеек сетки должны быть не
более 100 мм, а шаг сеток — не менее 60 мм.
Для армированного стыка должно быть выполнено условие

N ≤ Rb.red Aloc1 .,
где

(2.10)

Rb.red — приведенная призменная прочность бетона, МПа, при
расчете на местное сжатие, определяемая по формуле

Rb.red = Rb + ϕµ xy Rs ,xyϕ s .
Рис. 2.19. Усиление торцов блоков сетками:
1 — стержень-фиксатор; 2 — уплотнение канавки; 3 — сетки
косвенного армирования
90

ϕ=

1
0,23 + ψ

— коэффициент эффективности косвенного
армирования;
91

ψ=

µ xy Rs ,xy
Rb + 10

;

µ xy — объемный коэффициент косвенного армирования, определяемый по формуле

µ xy =

nx Asx l x + n y Asy l y
Aef s

,

nx, Asx и lx — соответственно число стержней, площадь поперечного
сечения и длина стержня сетки в одном направлении;
ny, Asy и ly — то же в другом направлении;
Aef — площадь сечения бетона, заключенного внутри контура сеток, см2;
s — расстояние между сетками, см;
Rs,xy — расчетное сопротивление растяжению арматуры сеток,
МПа;
ϕ s — коэффициент, учитывающий влияние косвенного армирования в зоне местного смятия.

ϕ s = 4 ,5 − 3,5

Вначале по изложенной в п. 2.3 методике кольцо рассчитывают на нагрузки основного сочетания. По полученному
напряженному состоянию подбирают поперечное сечение
элементов обделки. Затем по той же методике выполняют
расчет на особое сочетание нагрузок, учитывающее сейсмическое воздействие на обделку. Расчетные нагрузки от
горного давления q и p учитывают с коэффициентом 0,8.
К особенностям расчетной схемы (рис. 2.20) относятся характер и значение сосредоточенных сил в вершинах вписанного многоугольника.
Сосредоточенная вертикальная сила Qn в любом узле n
верхней половины кольца складывается от равномерно распределенных нагрузок 0,8q и ∆q основного сочетания и от

Aloc1
.
Aef

Если условие (2.10) не выполняется, то необходимо увеличить диаметр арматуры сеток, уменьшить размеры ячеек
сетки и шаг сеток, а затем вновь повторить расчет.
2.5. Особенности расчета сейсмостойких
обделок и обделок, обжатых в грунт
Расчет сейсмостойких обделок. Сборные железобетонные
сейсмостойкие обделки имеют жесткое соединение элементов по продольным стыкам (см. п. 1.4), исключающее взаимный поворот смежных элементов в стыке. Кольцо такой
обделки при работе под нагрузкой рассматривают как упругое в упругой среде.
Расчет кольца сейсмостойкой обделки выполняют на два
сочетания нагрузок: основное и особое.
92

Рис. 2.20. Расчетная схема кольца сейсмостойкой обделки при
расчете на особое сочетание нагрузок:
1 — вектор сейсмической волны; 2 — эпюра Pr
93

сейсмических нагрузок: инерционного горного давления qc,
инерционного собственного веса обделки Sn и вертикальной
составляющей Qn (Pr) радиально направленного неинерционного горного давления Rn (рис. 2.21). Направление Rn
(к узлу или от узла) зависит от положения точки n по отношению к направлению действия сейсмической волны. Это
направление может быть любым, и поэтому должно приниматься наиболее невыгодным для статической работы кольца. Величину Rn определяют по среднему значению pnr, которое соответствует значению pr для данного узла n:

Rn = Pnr a ,
где

a — длина стороны вписанного многоугольника расчетной
схемы, м.

Сосредоточенная вертикальная сила Qn в любом узле n
нижней половины кольца равна вертикальной составляющей Qn (Pr) радиально направленного неинерционного горного давления Rn.

Аналогично определяют сосредоточенные горизонтальные силы в каждом узле расчетной схемы.
По полученному напряженному состоянию кольца от
особого сочетания нагрузок производят проверку прочности подобранного сечения. При необходимости оно усиливается.
Расчет обделок, обжатых в грунт. Кольцо обжатой в
грунт сборной железобетонной обделки получает предварительное напряжение за счет реализации по его наружной
поверхности упругого отпора (рис. 2.22). Предварительное
напряжение создается приложением в одном или двух распорных стыках усилия обжатия Nобж.
При современной технологии механизированной щитовой
проходки время с момента обнажения грунтового контура
выработки до окончания обжатия невелико и составляет
0,5–1 ч. За это время горное давление в устойчивых и даже
слабо устойчивых грунтах еще не успевает проявиться. Это
позволяет применить принцип независимости действия сил:

Рис. 2.22. Схема работы кольца обделки при обжатии:
Рис. 2.21. Схема для определения сосредоточенной силы в узле от
неинерционного горного давления: 1 — эпюра Pr
94

a — из замка; б — с уровня горизонтального диаметра;
1 — упругий отпор грунта; 2 — силы трениz
95

отдельно определять напряженное состояние кольца от усилия обжатия Nобж и нагрузок основного сочетания (горного
давления, собственного веса).
При расчете кольца на усилие обжатия должны учитываться силы трения между обделкой и грунтом, которые
существенно снижают эффект обжатия.
В основу расчетной схемы кольца обделки на усилие
обжатия (рис. 2.23) положены те же предпосылки, что и при
расчете необжатых многошарнирных колец на нагрузки
основного сочетания, но упругие опоры ставятся во все
вершины вписанного многоугольника и отклоняются на
угол трения ат, в противоположную от перемещения обделки сторону.

Рис. 2.23. Расчетная схема кольца обжатой в грунт обделки при
расчете на усилие обжатия:

В результате расчета определяют внутренние усилия М,
N и реакции упругих опор R от усилия обжатия. Эпюру
изгибающих моментов уточняют с учетом эксцентриситета
передачи в стыках нормальной силы. Стыковые моменты
определяют по формуле (2.7). Окончательную эпюру моментов строят как огибающую.
Сложение напряженных состояний кольца обделки от
усилия обжатия и основного сочетания нагрузок дает полное напряженное состояние кольца. Однако такое сложение
допустимо лишь при условии, что полученное предварительное напряжение обжатием обделки в грунт не будет
потеряно в процессе эксплуатации тоннеля из-за релаксационных явлений, протекающих в грунтовом массиве вокруг
обделки.
В настоящее время на практике обделки, обжатые в
грунт, не рассматривают как предварительно напряженные,
поскольку не накоплено достаточного опыта, позволяющего с определенностью учесть потери созданного предварительного напряжения.
Несмотря на это, расчет на усилие обжатия необходимо
проводить, чтобы не допустить в стадии предварительного
напряжения более невыгодного состояния обделки, чем при
работе на основное сочетание нагрузок.
С учетом этого максимальное усилие обжатия может
быть определено методом попыток исходя из следующих
условий: ни в одной из упругих опор расчетной схемы в
суммарном напряженном состоянии не появляется отрицательных реакций; ни в одном из сечений обделки в суммарном состоянии не возникает растягивающих напряжений.
Первое условие обеспечивает совместную работу обделки с грунтовым массивом по всему ее наружному контуру,
второе — работу обделки на сжатие, что позволяет рационально использовать прочностные характеристики железобетона.

а — из замка; б — с уровня горизонтального диаметра
96

97

Контрольные вопросы
1. Какие расчетные схемы возможны для определения горного
давления на обделки кругового очертания?
2. Какие сейсмические нагрузки воздействуют на тоннельную
обделку при землетрясениях?
3. Перечислите допущения, положенные в основу расчетной схемы круговой обделки с упругой осью.
4. Каковы особенности расчетной схемы сборной железобетонной
круговой обделки?
5. Как учитывают влияние стыковых моментов на напряженное
состояние кольца сборной железобетонной круговой обделки?

98

Глава 3
НЕМЕХАНИЗИРОВАННЫЕ
ПРОХОДЧЕСКИЕ ЩИТЫ
3.1. Типы щитов и их основные части
По способу разработки и уборки грунта щиты делят на
немеханизированные и механизированные. Промежуточную
группу составляют частично механизированные щиты, в
которых предусматривается неполная механизация проходческих операций, в основном выдача грунта из щита.
Форма поперечного сечения щитов соответствует сечению обделки и бывает круговой, прямоугольной, трапецеидальной, сводчатой (арочной), овальной, сложного очертания. Наибольшее распространение получили щиты кругового очертания в поперечном сечении как обеспечивающие
прочность и жесткость при различных воздействиях горного
давления, взаимозаменяемость элементов сборной обделки,
отсутствие влияния вращения щита вокруг продольной оси
(крена) на положение обделки.
В зависимости от поперечных размеров щиты можно условно разбить на три группы: щиты малых — до 3,5 м, средних —
от 3,5 до 6,5 м и больших диаметров — свыше 6,5 м.
Проходческие щиты находят применение в самых разнообразных геологических и гидрогеологических условиях.
Наиболее универсальны немеханизированные щиты, при
помощи которых сооружают тоннели как в неустойчивых,
в том числе водонасыщенных, так и в устойчивых нескальных и скальных грунтах.
Механизированные, щиты обычно имеют более узкую
сферу применения, ограниченную определенным видом и
состоянием грунтов.
В последние годы в нашей стране созданы проходческие
щиты для сооружения тоннелей с монолитно-прессованной
бетонной обделкой.
99

Немеханизированные щиты, оснащают устройствами и
приспособлениями для удобства и безопасности проходческих работ. Конструкция таких щитов предусматривает возможность работы в забое автономной породопогрузочной
машины. На некоторых щитах, особенно малых диаметров,
установлены механизмы для сборки тоннельной обделки.
Конструкция немеханизированного щита (рис. 3.1) включает следующие основные части: корпус, выдвижные рабочие платформы, гидросистему. Корпус состоит из ножевого
кольца, предназначенного для защиты проходчиков от обрушения кровли забоя, вдавливания в сыпучие грунты, частичной срезки мягких грунтов; опорного кольца, служащего для
размещения гидравлических щитовых и части забойных домкратов; хвостовой части в виде цилиндрической тонкостенной оболочки, предназначенной для ограждения участка монтажа сборной обделки; горизонтальных и вертикальных перегородок, образующих рабочие ячейки, позволяющих
разрабатывать и крепить забои по всей его площади.
На вертикальных перегородках закреплены забойные
домкраты, а горизонтальные оборудованы выдвижными
рабочими платформами, которые служат не только для
удобного доступа к забою, но и для защиты находящихся
на нижних ярусах проходчиков.
В гидросистему входят гидравлические щитовые домкраты для
передвижения щита и в ряде случаев — вдавливания ножевого
кольца в грунт при его разработке, забойные домкраты для крепления лба забоя, платформенные домкраты для выдвижения рабочих платформ, а также гидрокоммуникации с гидравлической
аппаратурой управления и насосными установками.
При сооружении тоннеля щит работает совместно с комплексом вспомогательных механизмов и оборудования.
3.2. Проходческие щиты средних, больших
и малых диаметров
Щиты средних диаметров, применяемые для сооружения
в основном перегонных тоннелей метрополитена, называют
перегонными. Для возможности монтажа щита в стеснен100

Рис. 3.1. Общий вид щита:
1 — опорное кольцо; 2 — ножевое кольцо; 3 — вертикальная перегородка; 4 — выдвижная платформа; 5 — горизонтальная перегородка; 6 — золотниковый переключатель: 7 — забойный домкрат; 8 — накладка; 9 — оболочка; 10 — щитовой
домкрат; 11 — опорная колодка

ных подземных условиях его конструкцию проектируют
сборной. Корпус щита выполняют из сборно-литых или
сборно-сварных элементов.
В качестве примера рассмотрим перегонный щит для
проходки тоннеля наружным диаметром 6 м (см. рис. 3.1).
Корпус щита с ножевым 3 и опорным 4 кольцами из литых
сегментов рассчитан на работу в тяжелых геологических и
гидрогеологических условиях. Ножевое кольцо по своей
внутренней конфигурации близко к конической форме, что
облегчает внедрение щита в мягкие и сыпучие грунты. Угол
заострения составляет примерно 25°. Верхняя половина
кольца выступает относительно нижней вперед, образуя
101

козырек (аванбек), защищающий рабочих от вывалов грунта или падения отдельных кусков горной массы. Ширину
ножевого кольца выбирают так, чтобы обеспечить нормальные условия труда при ручной разработке и креплении
забоя.
Опорное кольцо имеет ширину, определяемую необходимостью размещения в нем щитовых домкратов. Литые сегменты ребристой конструкции на болтовых соединениях.
Для совместной статической работы в поперечном торцовом стыке ножевого и опорного колец устраивают кольцевую шпонку. Продольные стыки между сегментами колец
выполняют вразбежку так, чтобы стыки опорного кольца
приходились на продольные ребра сегментов ножевого кольца. Это придает повышенную жесткость корпусу и необходимую прочность в узлах опирания щитовых домкратов. В
нижней половине щита ячейки сегментов ножевого и опорного колец закрывают защитными листами.
Оболочку 5 щита изготовляют одно- или двухслойной и
прикрепляют болтовыми связями к наружной обработанной
поверхности хвостовой части опорного кольца уменьшенного диаметра. Благодаря этому внешний диаметр оболочки несколько меньше наружного диаметра передней части
опорного кольца; это снижает сопротивление трения по
боковой поверхности щита и улучшает его управляемость
при ведении по оси тоннеля. Отдельные листы оболочки
располагают так, чтобы они перекрывали продольные стыки опорного кольца. Между собой листы оболочки соединяют наружными накладками 8 при помощи винтов с утопленной головкой. Накладки спереди защищены выступами,
приливами на наружной поверхности сегментов опорного
кольца, перед которым в свою очередь имеется подобный
прилив ножевого кольца.
Внутренние конструкции корпуса — горизонтальные 9 и
вертикальные 7 перегородки — выполняют из одного или из
пакета из трех стальных листов, усиленных уголками.
Выдвижные платформы 6 монтируют в направляющих на
102

каждой горизонтальной перегородке. Платформы выдвигаются домкратами 1 на размер заходки, равный ширине кольца обделки.
Щитовые домкраты 10 закрепляют в кольцевых стенках
сегментов опорного кольца. Забойные домкраты 2 крепят
при помощи их боковых опор.
Для использования при щитовой проходке мощных и производительных породопогрузочных машин в конструкции
щитов средних диаметров целесообразно оставить одну
горизонтальную перегородку, а вертикальные в нижней
половине щита принять наклонными. Такие щиты для перегонных тоннелей наружным диаметром 5,6 м выпускает
отечественная промышленность (рис. 3.2). На рис. 3.3 показан вариант конструкции щита с ножеопорным кольцом 1
из сборно-сварных элементов. Особенностью сварного
щита является применение уплотнительного кольца 2 в оболочке, через которое на обделку передаются усилия щитовых домкратов. Кольцо позволяет исключить трудоемкую
операцию по герметизации строительного зазора вручную
паклей и деревянными клиньями. Одновременно кольцо бо-

Рис. 3.2. Немеханизированный шит со сборно-литыми элементами
103

Рис. 3.3. Немеханизированный щит со сборно-сварными элементами

лее равномерно распределяет усилия домкратов на обделку. Щиты из сборно-сварных элементов находят все большее применение.
Щиты для сооружения тоннелей с обжатой в грунтовой
массив обделкой и монолитно-прессованной бетонной обделкой имеют некоторые конструктивные особенности. В
первом случае корпус щита выполнен без накладок, что
обеспечивает гладкую поверхность образуемой при проходке выработки. Во втором случае оболочка щита снабжена
усиленной хвостовой частью, поскольку при прессовании
бетонной смеси возникают значительные радиальные нагрузки. Хвостовая часть — утолщенная обечайка — состоит из листов, продольные стыки которых сварены швами,
равнопрочными основному сечению. Снаружи стыки усиливают накладкой на сварном соединении.
Немеханизированные станционные щиты больших диаметров (рис. 3.4) имеют три горизонтальные перегородки;
вертикальных перегородок может быть две или три.
Щиты малых диаметров применяют при строительстве главным образом коммунальных, горнопромышленных и гидротехнических тоннелей. По основной конструктивной схеме немеха104

Рис. 3.4. Общий вид станционного щита:
1 — ножевое кольцо; 2 — опорное кольцо; 3 — вертикальная
перегородка; 4 — выдвижная платформа; 5 — забойный домкрат;
6 — горизонтальная перегородка; 7 — защитный лист; 8 — опорная колодка; 9 — щитовой домкрат; 10 — оболочка

низированные щиты малых диаметров повторяют щиты средних диаметров. Часто корпус изготавливают цельносварным, и
в этом случае щит транспортируют и опускают в стволы шахты или котлован в собранном виде. Если диаметр щита меньше
2,6 м, перегородки в корпусе отсутствуют. При большем диаметре предусматривают одну горизонтальную перегородку.
Ножевая часть большинства щитов имеет козырек для предупреждения вывала грунта. Некоторые щиты оборудуют выдвижным козырьком, перемещаемым гидродомкратами. Вместо автономной породопогдузочной машины используют погрузочный
конвейер, установленный в лотковой части корпуса.
105

При проходке коммунальных тоннелей часто встречаются неустойчивые водоносные грунты. В этих условиях
щиты оснащают в ножевой части съемной поперечной
стальной диафрагмой, имеющей одно или несколько приемных отверстий и люк для выхода при необходимости в забой (рис. 3.5).

Рис. 3.5

3.3. Полущиты и щиты сложного очертания
Полущиты находят применение при проходке верхней сводчатой части сечения тоннеля, сложенной неустойчивыми сыпучими, нескальными пластичными или разрушенными скальными грунтами, подстилаемыми крепкими. С их помощью сооружают горные транспортные тоннели, станции метрополитенов,
осуществляют реконструкцию тоннелей.
Конструктивно полущит представляет собой проходческую подвижную стальную крепь незамкнутого очертания в
виде арки с затяжкой. При передвижении полущит опирается на специальные переносные опоры скользящего или каткового типа, устанавливаемые под пятами арки. Опоры
должны находиться на прочном основании, способном воспринять сосредоточенную на небольшой площади нагрузку
106

от веса полущита и вертикального горного давления, собираемого со всей ширины выработки. Если прочность скального основания под опорами недостаточна, то необходимо
сооружать выработки и создавать искусственное основание
из монолитного бетона.
3.4. Гидравлическое оборудование щитов
Гидросистема щитов (рис. 3.6) состоит из гидродвигателей в виде гидроцилиндров возвратно-поступательного действия, насосной установки, аппаратуры управления и гидрокоммуникаций. Гидроцилиндры в зависимости от назначения делятся на щитовые, забойные и платформенные
домкраты, домкраты для заводки замкового блока, раздвижки уплотнительного кольца, выдвижения секций козырька. Щитовые домкраты для передвижения щита устроены в большинстве случаев по типу гидроцилиндра двустороннего действия с односторонним штоком. На рис. 3.7
показана конструкция щитового домкрата, включающая
стальной цилиндр 2, внутри которого перемещается шток 4
с поршнем 7. В передней части цилиндра установлена направляющая втулка 8 с латунной наплавкой. Подвижные
соединения уплотняются манжетами и резиновыми кольца-

Рис. 3.6. Гидросистема щитовых домкратов немеханизированного
щита:
1 — электродвигатель; 2 — насос; 3 — трубопровод; 4 — манометр; 5 — предохранительный клапан; 6 — гидрораспределитель;
7 — щитовой домкрат; 8 — фильтр
107

Рис. 3.7. Щитовой домкрат

ми, а неподвижные — только кольцами. На втулке установлено также набивное сальниковое уплотнение и на прижимном кольце — грязесъемник. Цилиндр с противоположного
конца закрыт съемной крышкой 5 с болтовыми соединениями для удобства ремонтных работ. На наружном конце
штока шарнирно закреплена опорная колодка 1 продолговатой формы для обеспечения максимально возможной площади опирания на кольцо обделки.
Щитовой домкрат устанавливают в гнездах сегмента
опорного кольца щита, пропуская его корпус в отверстие
задней стенки сегмента и закрепляя при помощи съемного
фланца 3 и болтовых соединений. Центрирующий выступ 6
задней крышки 5 цилиндра при этом входит в отверстие
прилива противоположной кольцевой стенки сегмента. Задняя крышка домкрата упирается в прилив и передает через
него рабочее усилие на корпус щита.
Для подключения гидрокоммуникаций в цилиндр ввинчены два штуцера: прямого и обратного хода.
Обычно щитовые домкраты размещают по два-три в
сегментах опорного кольца равномерно по периметру так,
чтобы на сборный элемент обделки приходилось не менее
двух домкратов. В щитах для проходки тоннелей в неустойчивых и слабых грунтах допускается большая концентра108

ция щитовых домкратов в нижней половине корпуса. Это
предупреждает оседание ножевой части при передвижках
щита. Щитовые домкраты рассчитаны на рабочее давление
в гидросистеме по условию получения максимальных усилий при одновременном уменьшении веса и габаритных
размеров. Учитывая срок службы уплотнительных манжет
и колец, надежность и качество используемых насосов и
гидроаппаратуры, рабочее давление назначают равным
15–20 МПа. Для тяжелых условий работы в неустойчивой
водоносной среде рабочее давление в гидросистеме щитовых домкратов повышают до 25–30 МПа, а в некоторых
конструкциях щитов — до 50 МПа.
Забойные и платформенные домкраты, применяемые в
отечественных щитах, по своему типу не отличаются от
щитовых домкратов, но упрощены по конструкции, рассчитанной на среднее давление от 3,5 до 6 МПа.
Особенность гидросистемы забойных и платформенных
домкратов, которые также могут быть использованы при
временном креплении забоя, состоит в том, что в процессе
передвижения щита их усилия, противодействующие активному боковому давлению грунта в забое, сохраняются постоянными.
В гидросистеме высокого давления используют гидравлические насосы радиально-поршневого нерегулируемого,
реже регулируемого типа; в гидросистеме среднего давления — шестеренчатые или лопастные насосы. Совмещенная
сеть высокого и среднего давления питается от насосов
высокого давления с понижением давления жидкости редукционным клапаном.
Насосы сагрегированы с электродвигателями и масляным баком, оборудованным масляным и воздушным фильтрами. В качестве рабочей жидкости употребляют преимущественно техническое масло и эмульсию. При необходимости изменить скорость выдвижения штоков в гидросистеме используют объемное или, реже, дроссельное регулирование.
109

В немеханизированных щитах объемное регулирование
обеспечивают подключением того или иного числа параллельно работающих насосов.
Гидравлическая сеть служит для подвода рабочей жидкости от насосов к щитовым и вспомогательным домкратам и
слива отработанной жидкости в бак. Если насосные установки сети высокого давления (см. рис. 3.6) размещены не
на щите, а на тележке укладчика тоннельной обделки, то
применяют шарнирный участок труб или гибкие высоконапорные рукава, подсоединенные к стационарным гидрокоммуникациям на щите. Рабочая жидкость поступает к распределительным вентилям (или главному трехходовому
клапану) управления, предохранительному клапану, распределительным коллекторам и через вентили — к щитовым домкратам. Гидравлическая схема позволяет как одновременное групповое или индивидуальное включение щитовых домкратов на прямой ход, так и отключение любого
вышедшего из строя щитового домкрата без нарушения
работы остальных. Вместо вентилей можно устанавливать
современные ручные гидрораспределители и электрогидравлические реверсивные золотники с дистанционным управлением.
3.5. Основы расчета щитов
Основные геометрические размеры щита определяют для
немеханизированных щитов в зависимости от диаметра
обделки и условиq проходки тоннеля.
Наружный диаметр оболочки щита Dщ (рис. 3.8) обусловлен диаметром обделки d, толщиной оболочки δ и размером
строительного зазора e между обделкой и внутренней поверхностью оболочки, необходимого для монтажа кольца
обделки и ведения щита на кривых участках трассы. Оптимальный размер строительного зазора установлен по данным практики равным приблизительно 0,8% от диаметра
обделки. Следовательно,

Рис. 3.8. Схема немеханизированного щита
с основными размерами

Dщ = d + e + 2δ = 1,008d + 2δ .
110

111

Для перегонных щитов принимают δ = 30÷40 мм, для
станционных δ = 50÷80 мм.
Полная длина щита поверху
Lщ = Lн + Lон + Lоб ,
где

Lн — ширина ножевого кольца поверху, м;
Lоп — ширина опорного кольца, м;
Lоб — длина хвостовой части оболочки, м.

Ширина ножевого кольца Lн поверху зависит от степени
устойчивости грунтов в забое. В устойчивых грунтах ширину ножевого кольца назначают 1–1,4 м, что создает условия удобной и безопасной работы проходчиков. В неустойчивых грунтах эти значения могут быть увеличены на
0,3–0,5 м. Ширину ножевого кольца понизу уменьшают на
0,4–0,5 м, образуя козырек.
Ширину опорного кольца Lоп определяют по условиям
размещения и надежного закрепления в нем щитовых домкратов; по опыту конструирования щитов ее принимают
близкой к удвоенному значению рабочего хода щитовых
домкратов или ширины кольца обделки b,

Lоп = (1,6 − 2)b.

Для хвостовой части оболочки

Lоб = l1 + l 2 + l3 ,
где

l 1 — длина перекрытия обделки оболочкой, м, принимаемая равной ширине одного кольца обделки
при проходке в устойчивых грунтах и двух колец
— в неустойчивых водоносных грунтах с небольшим запасом; l1 = (1,2 ÷ 2,2)b ;
l 2 — расстояние между опорной плоскостью колодок
втянутых штоков щитовых домкратов и торцовой
плоскостью смонтированного кольца обделки, м;
l 2 = (0,15 ÷ 0,2) м — при отсутствии уплотнительного кольца;
l2 = (0,45 ÷ 0,4) м — при наличии уплотнительного кольца;
l3 = (0,6 ÷ 0,7) м — длина части щитового домкрата, выступающей из
опорного кольца.

Отношение полной длины щита к его диаметру
112

M = Lщ / Dщ
называют коэффициентом маневренности щита. Он характеризует управляемость щита при его введении вдоль
оси тоннеля. Для немеханизированного щита среднего диаметра рекомендуемый коэффициент M = 0 ,8 ÷ 1 , больших
диаметров M = 0 ,45 ÷ 0 ,6 . Для щитов малых диаметров
коэффициент М может быть больше единицы, так как с
уменьшением диаметра ширина ножевого и опорного колец
и длина оболочки меняются сравнительно незначительно.
Основы статического расчета щита на прочность. Несущей конструкцией корпуса щита, воспринимающей внешние нагрузки и усилия щитовых домкратов, являются ножевое и опорное кольца и находящиеся в них перегородки.
Прочностный расчет корпуса щита ведут на аварийную
нагрузку, которая возникает в наиболее тяжелых условиях
работы щита, при выходе из зоны устойчивых в зону неустойчивых грунтов, а также при длительных остановках
щита в пластичных грунтах. Принимают наиболее невыгодное сочетание внешних нагрузок: воздействие вертикального горного давления при отсутствии горизонтального. Упругий отпор грунта не учитывают. Расчетное равномерно распределенное давление на щит

q = γH ,
где g — удельный вес грунта, кН/м3;
H — расчетная толщина сбоя грунта над щитом с учетом возможной перегрузки (Н = 50 м).

Расчетное давление на несущую конструкцию корпуса
определяют с условием частичной передачи нагрузки с хвостовой оболочки на кольцо обделки:

q нк = q

Lн + Lоп + 0,5Lоб
.
Lн + Lоп

Несущая конструкция щита представляет собой статически неопределимую систему, и расчет ее ведут методами
113

строительной механики. Проще использовать метод сил в
варианте расчета системы с упругим центром. Расчетную
схему принимают в виде плоского кольца с одной или несколькими шарнирно закрепленными горизонтальными перегородками — балками, работающими на растяжение. Вертикальные перегородки, как правило, не учитывают как
испытывающие сжатие, что идет в запас прочности. Реактивное давление при опирании кольца на грунт принимают
равномерно распределенным на участке, равном горизонтальному диаметру для основания, сложенного мягкими и
сыпучими грунтами, или на участке лотковой части щита с
центральным углом, 90° для скального основания.
Проверку прочности сечения сегментов ножевого и опорного колец выполняют на внецентренное сжатие. Проверке
подвергают также прочность болтовых соединений в тех
стыках, где болты наиболее сильно нагружены.
В щитах для проходки тоннелей с монолитно-прессованной бетонной обделкой необходимо дополнительно рассчитывать хвостовую часть оболочки корпуса как сосуд, работающий под внутренним давлением:

p = k1 µ

Fщд
Aк

,

где
k1 = 2 — динамический коэффициент;
µ = 0,42÷0,45 — коэффициент боковой передачи давления бетонной
смеси при ее прессовании;
Fщд — суммарное усилие всех щитовых домкратов, кН;
Ак — площадь сечения кольцевого пространства между
оболочкой корпуса щита и опалубкой, м2.

Расчет усилий передвижения щита. Для обеспечения передвижения щита необходимо выполнить условие

γ R
F≥ c ,
γп
где F и R — расчетные значения соответственно усилия передвижения
щита и общей силы предельного сопротивления, кН;
114

γс и γп — коэффициенты соответственно условий работы и надежности; для песков и невыветрелых скальных грунтов γс = 1,
γп = 0,95; для глин и выветрелых скальных грунтов
γc = 1,15, γп = 0,9.

Общее расчетное предельное сопротивление

R = R1 + R2 + R3 + R4 ,
где R1
R2
R3
R4

— лобовое сопротивление, кН;
— сопротивление по наружной поверхности корпуса щита, кН;
— сопротивление по внутренней поверхности оболочки щита, кН;
— сопротивление перемещаемой совместно со щитом части
проходческого технологического комплекса, кН.

Лобовое сопротивление R1 определяют в зависимости от
технологии проходки тоннеля:
1. При временном креплении лба забоя забойными домкратами

R1 = nзд Fзд ,

где
nзд — число включенных в работу забойных домкратов;
Fзд = 50÷70 кН — усилие забойного домкрата, приложенное к временной крепи забоя.

2. При частичном врезании ножевого кольца в устойчивые глинистые грунты

R1 = ptL,
где

p — удельное усилие врезания, равное в суглинках 500–600 кН/м2;
в глинах 1200–1600 кН/м2;
t и L — соответственно средняя толщина и длина кромки ножевого
кольца, внедряющейся в забой, м.

3. При внедрении ножевого кольца в сыпучие грунты

R1 = N ос A (c + q tg ϕ ) + qA1 ,
где Nос — безразмерное число, принимаемое по табл. 3.1 в зависимости от угла внутреннего трения ϕ и показателя сжатия сечения S ножевого кольца:

S=

Dщ2 − d вн2
Dщ2

;
115

d вн — внутренний диаметр ножевого кольца, м;
А — площадь поперечного сечения щита, м2;
А1 — площадь поперечного сечения ножевого кольца по dвн, м2;
с — удельное сцепление грунта, кН/м2;
q — пригрузка на забой со стороны щита, кН/м2; при временном
креплении забойными домкратами

q=

nзд Fзд
;
A1

при горизонтальных рассекающих площадках

4. При проходке в устойчивых грунтах без временного
крепления забоя и врезания ножевого кольца в массив лобовое сопротивление отсутствует: R1 = 0.
Если применяется смешанная схема проходки, то лобовое
сопротивление подсчитывают с учетом конкретных технологических данных взаимодействия щита с грунтовым массивом.
Сопротивление R2 зависит от трения и сцепления грунта
по наружной поверхности щита, а также от обжатия грунта
при отклонении оси щита от оси тоннеля:

R2 = f тр1 [2(q + p )Lщ Dщ + G1 ] + 1000c1π ×

q = 0,5γhпл ctg ϕf тр1 + pг t э Lпл A1 ,
где γ — удельный вес грунта, кН/м3;
h пл — расстояние между площадками, равное 0,8–1,2 м;
fтр1 — коэффициент трения грунта по стали, равный 0,4–0,5;
р г — удельное усилие внедрения для песков, равное 400÷500 кН/м2;
tэ и Lпл — соответственно средняя толщина и общая длина площадок
и вертикальных перегородок, внедряемых в грунт.

Более точный расчет усилий внедрения щита в сыпучий
грунт приведен в специальной литературе.
Т а б л и ц а 3.1
ϕ, град

S

Nос

20

0,1

2,5

0,2

5,5

0,3

7

0,1

2,6

0,2

6,7

0,3

12,3

0,1

7,8

0,2

14

0,3

40

30

40

116

× Lщ Dщ + 0,25nδ f тр1 k D ∆1 Lщ Dщ ,
где q и p — соответственно расчетное вертикальное и горизонтальное горное давление, кН/м2;
G1 — вес щита, приближенно G1 = 35Dщ2 − 100 , кН;
с1 — удельное сцепление между грунтом и наружной поверхностью щита; для сыпучих и скальных грунтов c1 = 0,
для глинистых c1 = (0,005÷0,01) МПа;
nδ = 0,2 — коэффициент ослабления напряженного состояния массива при проходке;
Dk
kD = 0 — приведенный коэффициент упругого отпора грунта, кН/м3;
D
щ

D0 = 5 м — размерный коэффициент;
k — коэффициент упругого отпора грунта, кН/м3;
∆ 1 — обжатие грунта боковой поверхностью щита, м; приближенно

∆1 =

1
− 0,077
6f +4

при 0,1 ≤ f < 1,5; ∆1 = 0 при f ≥ 1,5. Сопротивление (кН) по
внутренней поверхности хвостовой части оболочки щита

R3 = f тр2 G 2 ,
где

fтр2 — коэффициент трения пары: материал обделки — сталь
(чугун — сталь, fтр2 = 0,18;
117

бетон — сталь, fтр2 — 0,5);
G2 — вес участка обделки, расположенного на оболочке щита, кН.

При возведении обжатой сборной обделки, разжимаемой
внутри оболочки, или монолитно-прессованной бетонной
обделки

R3 = 1000 f тр2 Aоб pr ,

где Aоб — площадь оболочки, находящейся в контакте с обделкой, м2;
pr — радиальное давление на оболочку со стороны возводимого
кольца обделки, МПа.

Поскольку для монолитно-прессованной обделки значение pr функционально связано с осевым давлением щитовых
домкратов на бетонную смесь, то для более точного определения R3 и соответственно общего сопротивления R необходимо прибегать к специальной методике.
Сопротивление перемещению части проходческого комплекса, которая передвигается совместно со щитом,

R4 = k м f тр2 G3 ,
где kм = 2 — коэффициент местных сопротивлений;
G3 — вес части комплекса, передвигающейся вместе со щитом, кН.

Вычислив общее сопротивление R и затем усилие передвижения F, определяют суммарное усилие щитовых домкратов:

Fщ = kщ F ,
где kщ — коэффициент, учитывающий необходимость отключения
части щитовых домкратов при движении щита на кривой
и при корректировке его положения, равный 1,3÷1,5.

минальных мощностей электродвигателей насосных установок гидросистемы высокого и среднего давления.
Для щитов среднего диаметра принимают обычно два
насоса высокого давления мощностью по 12–24 кВт, одиндва насоса среднего давления мощностью 10–15 кВт. Во
многих конструкциях щитов ограничиваются только насосами высокого давления, обслуживающими щитовые и вспомогательные домкраты.
Производительность проходческого щита выражается
скоростью проходки тоннеля. Техническую производительность определяют по скорости щитовой проходки в смену
или сутки путем построения циклограммы сооружения единицы длины тоннеля (одно или более колец обделки) за
период времени, равный продолжительности цикла. Эксплуатационную производительность — скорость проходки в
месяц — устанавливают с учетом работы всего проходческого комплекса.
Контрольные вопросы
1. Из каких основных частей состоит конструкция немеханизированного щита?
2. Каковы особенности полущитов и щитов сложного поперечного очертания?
3. Что входит в состав гидравлического оборудования щитов?
4. Какие параметры немеханизированного щита определяют расчетом?

Усилие одного щитового домкрата

Fщд =

Fщ
nщ

,

где nщ — число щитовых домкратов (для щитов малых диаметров
nщ = 12÷16, средних — 16÷24, больших — 24÷36).

Определение мощности щита. Установленную мощность
немеханизированного щита определяют суммированием но118

119

Глава 4

4.1. Классификация механизированных щитов
Механизированные проходческие щиты имеют ряд преимуществ в сравнении с щитами, основанными на ручной
разработке забоя. Механизированные щиты обеспечивают
высокий уровень (90–95%) механизации разработки грунта,
его погрузки и выдачи к тоннельным транспортным средствам; низкие трудовые затраты; высокие скорости проходки; снижение стоимости строительства при нормальной эксплуатации и достижении проектной производительности.
Конструкция механизированных щитов специализирована, т.е. предназначена под определенные, меняющиеся в
достаточно узких пределах, геологические и гидрогеологические условия, в которых их работа по проходке тоннеля
наиболее экономична. На рис. 4.1 приведена классификация
механизированных щитов по основным признакам.
Успешность применения механизированного щита в значительной степени определяется принятыми средствами разработки и крепления забоя. В зависимости от вида и физико-механических свойств грунта используют различный
породоразрушающий инструмент. Соответственно конструктивно по-разному выполняются и средства силового
воздействия на забой — исполнительные органы щитов.
Механизированные щиты находят применение как в нескальных, так и в скальных грунтах. Наиболее благоприятные условия характеризуются необводненными грунтами,
обеспечивающими устойчивый вертикальный забой.
Для строительства тоннелей в водоносных плывунных
грунтах при большом гидростатическом давлении разработаны конструкции специальных механизированных и гидро120

Рис. 4.1. Классификация механизированных щитов

МЕХАНИЗИРОВАННЫЕ ЩИТЫ,
ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКИЕ МАШИНЫ
И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СБОРКИ ОБДЕЛОК

121

механизированных проходческих щитов, позволяющих отказаться от специальных способов работ: проходки под
сжатым воздухом, искусственного замораживания, водопонижения. В скальных грунтах, где при проходке тоннелей
преобладает буровзрывной способ работ и не требуется
немедленного возведения обделки, находят применение тоннелепроходческие машины.
Механизированные щиты имеют достаточно общую
принципиальную схему (рис. 4.2), включающую корпус 4 со
щитовыми домкратами и гидросистемой, исполнительный
орган 1 для разработки и погрузки грунта, оснащенный
породоразрушающим инструментом 2, главный привод 5,
устройства подачи 6 исполнительного органа на забой,
щитовой транспортер 5 для выдачи грунта из щита, устройства для ведения щита в заданном направлении — элероны, а также системы управления щитом, пылеподавления, вентиляции и энергоснабжения.

Рис. 4.2. Принципиальная схема механизированного щита
122

Основные тенденции в развитии механизированных щитов состоят в расширении диапазона их применения как в
водоносных плывунных, так и в крепких скальных грунтах
с переходом от однородных на смешанные грунты, в выборе более рациональных схем разработки и крепления забоя,
повышении общей работоспособности и надежности в сложных подземных условиях работы, удлинении сроков безотказного действия ответственных узлов и оборудования,
автоматизации режимов работы систем щита.
4.2. Механизированные щиты и специальные
щитовые агрегаты для проходки
в неустойчивых грунтах
Щитовая проходка тоннелей сильно осложняется в неустойчивых грунтах, не способных удерживать забой от обрушения. Если неустойчивые грунты обводнены, условия
сооружения тоннелей становятся особенно неблагоприятными. Щиты для неустойчивых грунтов естественной влажности подразделяются на частично механизированные и механизированные.
Задача проходки тоннелей в сыпучей среде естественной
влажности успешно решена частично механизированными
щитами, основанными на принципе вдавливания с разделением забоя на ярусы горизонтальными площадками, на которых располагаются под углом естественного откоса призмы грунта. По мере продвижения щита избыток грунта
ссыпается с площадок при сохранении устойчивости грунтовых призм, играющих роль временной крепи.
При строительстве перегонных тоннелей метрополитенов в СССР с конца 50-х годов широко применялись проходческие щиты, оснащенные рассекающими горизонтальными
площадками (рис. 4.3). Для уменьшения лобовых сопротивлений передвижению щита его ножевое кольцо оборудуют
тонким (толщиной 25–30 мм) козырьком из стального листа. В ячейках щита жестко закрепляют горизонтальные
площадки, разделяющие забой на пять-шесть ярусов. В по123

Рис. 4.З. Щит с горизонтальными рассекающими площадками:
1 — горизонтальная площадка; 2 — козырек; 3 — ножевое кольцо;
4 — опорное кольцо; 5 — щитовой домкрат; 6 — хвостовая
оболочка; 7 — горизонтальная перегородка; 8 — вертикальная
перегородка; 9 — домкрат выдвижной платформы

стоянных перегородках прорезают отверстия и устанавливают направляющие лотки для спуска осыпавшегося грунта в лотковую часть щита, где он грузится автономной
породопогрузочной машиной в вагонетки.
Применение горизонтальных площадок позволило отказаться от деревянного шандорного крепления лба забоя, что
в несколько раз снизило трудовые затраты на операции по
разработке грунта и перекреплению и одновременно значительно повысило скорости проходки (на Мосметрострое
достигнута рекордная скорость 430 м/мес).
В неустойчивых глинистых породах мягкопластичной и
текучепластичной консистенции нашли применение щиты с
режущей решеткой.
Щитам, работающим по принципу вдавливания, свойствен такой недостаток, как большие лобовые сопротивления, повышающие общее усилие щитовых домкратов и приводящие к повреждениям элементов собранного кольца об124

делки. Лобовое сопротивление заметно возрастает, когда в
сыпучих грунтах увеличивается содержание глинистых частиц или появляются прослойки связных грунтов.
Дальнейшее развитие отечественных щитов с рассекающими горизонтальными площадками наметилось в двух
направлениях: активизации самих площадок и оснащении
их механизмами для принудительного отбора грунта.
Активные горизонтальные площадки включают: выдвижные элементы, обоймы выдвижных элементов, поворотные, конвейерные и вибрационные площадки и др. Создана
также конструкция активной режущей решетки.
В качестве механизмов для отбора грунта с площадок
предложены поперечные транспортеры с вертикальными
скребками, выдвижные барабаны с лопастями, челюстные
механизмы. Челюстные механизмы получили наибольшее
распространение.
Механизированный щит ЩМ-17 с челюстными механизмами (рис. 4.4) разработан заводом Главтоннельметростроя
для проходки в сыпучих грунтах с глинистыми прослойками. Ножевая часть щита оснащена тремя забойными горизонтальными перегородками с выдвижными площадками.
На каждой из трех ярусов площадок расположены по одному челюстному механизму, действующему от гидроцилиндров. Механизмы имеют от четырех до пяти степеней подвижности и могут отбирать связные грунты по всей ширине
забоя. В лотковой части щита встроена породопогрузочная
машина также челюстного типа, подгребающая грунт на
щитовой скребковый транспортер.
Ранее запроектированный Метрогипротрансом щит ТЩБ
для сооружения тоннелей с монолитно-прессованной бетонной обделкой имеет аналогичную конструктивную схему, в
которой предусмотрены две горизонтальные забойные перегородки вместо трех. Особенность щита состоит в прессующем кольце и хвостовой оболочке. Средняя суточная
скорость щита ЩМ-17 составляет 7,5 м при максимальной
12,5 м.
125

1 — горизонтальная перегородка; 2 — домкрат выдвижения площадки; 3 — выдвижная площадка;
4 — челюстной механизм; 5 — ножеопорное кольцо; 6 — домкрат замковых блоков; 7 — уплотнительное
кольцо; 8 — хвостовая оболочка; 9 — блокоукладчик; 10 — захват; 11— скребковый транспортер;
12 — опорная горизонтальная перегородка; 13 — породопогрузочная машина

Рис. 4.4. Щит с выдвижными горизонтальными площадками и челюстными механизмами:
126

Щитовая проходка тоннелей в водонасыщенных неустойчивых грунтах осуществляется с использованием различных средств воздействия на забой.
В водоносных пластичных грунтах текучей консистенции (пылеватые глины, илы) хорошие результаты показали
щиты с закрытой головной частью, работающие слепым
методом, т.е. вдавливанием в массив с частичным (5–75%)
впуском спрессованного грунта внутрь щита через относительно небольшие отверстия в поперечной диафрагме, установленной в ножевом кольце. В щитах малых диаметров
диафрагма может быть выполнена из набора съемных поперечных шандор.
В условиях водонасыщенных несвязных грунтов, находящихся под большим гидростатическим давлением, может
применяться несколько разновидностей специальных проходческих щитов.
Из предложенных схем гидромеханизированных щитов
наиболее обоснован и проработан герметический щит системы ВНИИ транспортного строительства. Таким щитом диаметром 1,8 м успешно осуществлены опытные проходки
тоннеля со сборной тюбинговой обделкой при гидростатическом избыточном давлении до 0,3 МПа. Для обеспечения
устойчивости грунтового массива при разработке забоя
принят метод гидравлической пригрузки, уравновешивающей гидростатическое давление по всей его высоте, и поярусное расположение грунта под углом обрушения в головной части щита.
Конструкция герметического щита (рис. 4.5) включает
корпус, приемные устройства, гидромеханизированное оборудование. Корпус имеет головную часть, опорное кольцо
с приемной камерой, хвостовую оболочку и щитовые домкраты с гидросистемой. Головная часть в каждом из трех
ярусов оснащена горизонтальными площадками и наклонными лобовыми диафрагмами. В ножевые элементы встроены гидроразмывные трубы с насадками. Струи воды под
давлением, бьющие из насадок, размывают грунт вдоль
127

1 — приемная горловина; 2 — гидроразмывная труба с насадками; 3 — затвор; 4 — люк; 5 — головная
часть; 6 — опорное кольцо; 7 — щитовой домкрат; 8 — уплотнительное кольцо; 9 — оболочка;
10 — уплотнение строительного зазора; 11 — диафрагма; 12 — домкрат затвора; 13 — клапан-регулятор
давления в приемной камере; 14 — выпускная труба; 15 — ячейка головной части; 16 — трубопровод
поддержания давления в приемной камере; 17 — напорный трубопровод гидроразмывных устройств;
18 — пульпопровод; 19 — гидромонитор взмучивания пульпы в приемной камере; 20 — приемная камера

Рис. 4.5. Щит герметизированный с гидромеханизированными исполнительными органами:
128

наклонных диафрагм и выносят его через горловины, перекрываемые затворами, в приемную камеру, заполненную
водой. Из приемной камеры, отгороженной от тоннеля герметичной перегородкой, грунт в виде пульпы транспортируется по трубам при помощи землесосной установки на
поверхность земли. Таким образом, в хвостовой части щита
и тоннеле работы могут выполняться при нормальном атмосферном давлении.
Чтобы поддержать требуемое давление гидропригрузки
в приемной камере, обеспечивается согласованная работа
средств гидроразмыва и гидротранспорта грунта. Дополнительно это давление регулируется автоматическим клапаном-регулятором. Надежно решено уплотнение (рис. 4.6)
строительного зазора, препятствующее прорыву разжиженных грунтов в тоннель.
К специальным агрегатам относится механизированный щит
фирмы “Роббинс” диаметром 10,2 м, оборудованный устройствами для производства работ под сжатым воздухом в локальной
призабойной зоне при нормальном давлении воздуха в тоннеле.
Сжатый воздух не в состоянии уравновесить гидростатическое давление по всей высоте забоя. Поэтому в роторных
механизированных щитах начали применять тиксотропную
пригрузку: раствор, в основном, бентонитовой глины плотностью 1,02–1,06 т/м3.

Рис. 4.6. Конструкция уплотнения строительного зазора:
1 — опорная часть щитового домкрата; 2 — г-образный уплотнительный клапан; 3 — кольцевая резиновая надувная камера; 4 — тюбинг;
5 — оболочка шита; 6 — стальные пластины
129

В корпусе проходческого щита встроена поперечная герметизированная перегородка, отделяющая призабойную камеру, где находится ротор, от тоннеля. Камера заполнена
глинистой суспензией. Отделяемый от массива грунт выдается в виде шлама в приемный резервуар в тоннеле через
шлюзовое устройство. В камеру постоянно под давлением
подается свежий раствор. Из резервуара раствор, содержащий разработанный грунт, откачивается на поверхность
земли центробежным насосом. Здесь шлам попадает в систему очистки и регенерации, разделяющей жидкую и твердую фракции. Восстановленный раствор с дополнительными порциями нового, поступающего от растворного узла,
вновь направляется к щиту. Сложный узел уплотнения строительного зазора включает износостойкие уплотнительные
манжеты (см. рис. 4.6).
В качестве примера на рис. 4.7 показан щит с тиксотропной пригрузкой, изготовленный в Великобритании.
В некоторых случаях условия проходки позволяют использовать в роторных механизированных щитах гидравлическую пригрузку вместо тиксотропной, как это было при
строительстве двух железнодорожных тоннелей под каналом близ Токио в Японии.
Известны конструкции механизированных щитов, в которых тиксотропная пригрузка сочетается со сжатым воздухом.
Проходка тоннелей с применением тиксотропного раствора требует сложного оборудования для очистки и регенерации, затрудняется при отрицательных температурах
воздуха на дневной поверхности. Стремясь освободиться от
растворной схемы, была принята идея грунтовой пригрузки, состоящая в принудительном уплотнении грунта на
выходе из призабойной камеры щита. Спрессованный грунт
препятствует проникновению в тоннель разжиженной грунтовой массы. В то же время грунт может удаляться из тоннеля обычными транспортными средствами — в вагонетках, при помощи конвейеров.
130

Рис. 4.7. Щит с камерой, заполненной глинистой суспензией:
1 — резервуар для твердого остатка; 2 — циклон; 3 — резервуар
очищенного глинистого раствора; 4 — резервуар с виброситом;
5 — насос для подачи глинистого раствора в тоннель; 6 — ствол
шахты; 7 — землесос; 8 — насос для подачи глинистого раствора в
щит; 9 — пульпопровод; 10 — тоннельная обделка; 11 — уплотнитель
строительного зазора; 12 — щитовой домкрат; 13 — корпус щита;
14 — шлюзовое устройство; 15 — роторный исполнительный орган;
16 — камера, заполненная глинистой суспензией; 17 — бак для приема разработанного грунта и образования пульпы; 18 — напорный
трубопровод глинистого раствора; 19 — труба для подачи раствора
в бак

131

Механизированный щит (рис. 4.8), основанный на таком
принципе, имеет плоский роторный дисковый исполнительный орган, переходящий в конический диффузор, закрепленный на кольцевом полом валу, который вращается в упорно-радиальном подшипнике, встроенном в коробчатую поперечную перегородку. Внутри вала установлен шнековый
выгружатель, загрузочный конец которого проходит через
диафрагму, закрепленную на кожухе шнека. Все подвижные
соединения в головной части щита снабжены уплотнениями.

Рис. 4.8. Щит с прессованием грунта в забойной камере:
1 — роторный орган; 2 — забойная камера; 3 — шнек

Разрыхленный грунт, перемещаясь вдоль шнека, уплотняется. Большие сопротивления трению вдоль винтовой
полости шнека являются достаточной гарантией от прорыва разжиженной грунтовой массы. Грунт разрабатывается
резцовым инструментом и попадает внутрь диффузора через радиальные прорези в диске. Ротор и шнек имеют индивидуальные приводы в виде гидродвигателей с переменной
частотой вращения.
Щит рассмотренной схемы показывает хорошие результаты лишь при работе в достаточно связных водонасыщенных грунтах.
132

В схеме, рассчитанном ни более широкий диапазон неустойчивых грунтов, роторный щит со шнековым механизмом выдачи грунта оснащен устройствами подачи в призабойную камеру глинистого раствора густой консистенции,
тщательно перемешиваемого с разработанным грунтом.
Образуемая однородная вязкая масса надежно крепит забой
и препятствует проникновению воды в шнек. Щиты с грунтовой пригрузкой нашли распространение в Японии.
Во всех конструкциях специальных механизированных и
гидромеханизированных щитовых агрегатов работы по проходке ведутся слепым методом, и это предъявляет высокие
требования к надежности исполнительных органов, их устройств и резцовому инструменту.
4.3. Механизированные щиты для проходки
в нескальных грунтах
В глинистых грунтах вскрытый на всю высоту сечения
забой может, как правило, сохранять устойчивость в течение определенного времени в зависимости от свойств грунта, диаметра выработки и местных инженерно-геологических особенностей участка проходки. Это способствует применению для проходки механизированных щитов. Особенно
благоприятны условия для механизированной проходки в
толще однородных водонепроницаемых воздушно-сухих
глин типа кембрийских с коэффициентом крепости 0,8–1,2.
Во влажных налипающих глинах, близких к юрским, спондилловым условия разработки ухудшаются.
В глинистых грунтах наиболее успешное применение
нашли механизированные щиты с роторными, планетарными и экскаваторными органами. Использовались для разработки твердых глин и фрезерные стреловые исполнительные органы.
Роторные исполнительные органы щитов выполняются в
двух вариантах — дисковыми и лучевыми. Щиты с дисковыми роторами в виде сплошной планшайбы, перекрывающей забой по всей его площади, имеют простейшую кине133

матическую схему. В диске делаются прорези или окна,
через которые грунт, срезаемый пластинчатыми или стержневыми резцами, попадает внутрь щита. Дисковый исполнительный орган предназначен не только для разработки,
но и для подкрепления лба забоя. По этой причине некоторые конструкции роторов исполняют в виде двух или более
заходных винтовых поверхностей, обеспечивающих при
работе ротора постоянное его прижатие к забою по всей
площади.
Достаточно универсальна конструкция щита ЩМР с
роторным дисковым органом, разработанного заводом
Главтоннельметростроя (рис. 4.9). Мощный привод и стержневые резцы расширяют область применения этого щита:
от нескальных с f = 0,6 до скальных грунтов средней крепости с f =4÷5. Достоинство щита состоит в применении
электродвигателей постоянного тока, обеспечивающих регулируемую частоту вращения ротора в целях выбора оптимального режима резания в различных грунтах.

Рис. 4.9. Щит с дисковым роторным органом и регулируемой
частотой вращения:
1 — ротор; 2 — гидродомкрат для установки замковых элементов;
3 — уплотнительное кольцо; 4 — щитовой гидродомкрат; 5 — выдвижная платформа; 6 — радиальная балка ротора; 7 — стержневой резец
134

Сравнительно просто переменная частота вращения ротора достигается при гидравлическом приводе, способном
развивать высокий крутящий момент при сравнительно небольших габаритных размерах.
Щиты с лучевыми роторными исполнительными органами эффективны в устойчивых грунтах, в которых исключены вывалы в забое. Лучевой ротор выполнен в виде нескольких несущих резцы баров, идущих от центра к периферийной кольцевой связи.
Примером механизированного щита с лучевым роторным органом служит щит комплекса КТI-5,6 (рис. 4.10) для
сооружения перегонных тоннелей метрополитена в Ленинграде в устойчивых сухих кембрийских глинах. Четыре мощных луча ротора закреплены на центральной крестовине и
соединены кольцевой связью, на которой расположены 12
ковшей для подбора разработанного грунта и выгрузки его
через лоток на щитовой транспортер. В щите используется
комбинированный процесс резания и скалывания, отличающийся низкой энергоемкостью: стержневые резцы, укрепленные на резцедержателях, прорезают в забое кольцевые
щели шириной около 60 мм и глубиной 200–300 мм, а дисковые скалыватели разрушают образующиеся выступы
грунта шириной 150–250 мм.
Ротор отделен от остальной части щита диафрагмой,
препятствующей попаданию пыли в щит и тоннель. Главный привод с электродвигателями постоянного тока сообщает ротору переменную частоту вращения. Ведение щита
в профиле облегчается двумя выдвижными элеронами, способными поворачиваться на угол ±25°. Этим щитом в Ленинграде было последовательно установлено несколько
мировых рекордов скорости проходки перегонных тоннелей
с возведением сборной обделки (от 676 до 1250 м/мес).
Щитам с роторным органом свойственны достаточно
широкий диапазон применения, простота конструктивной и
кинематической схемы, высокие крутящие моменты и осевые напорные усилия на забой, возможность одновременно135

1 —резцедержатель со стержневыми резцами; 2 — дисковый скалыватель; 3 — ротор; 4 — главный
привод; 5 — ковш; 6 — ножевое кольцо; 7 — опорное кольцо: 8 — щитовой транспортер; 9 — щитовой
домкрат: 10 — привод транспортера: 11 — домкрат выдвижения; 12 — опорная перегородка;
13 — пылезащитная диафрагма

Рис. 4.10. Щит с лучевым роторным исполнительным органом:
136

го разрушения грунта по всей площади забоя, высокая производительность. Недостатки этих щитов: трудность для
дисковых роторов осмотра забоя и смены режущего инструмента, неодинаковый путь и соответственно износ резцов, отстоящих на разных расстояниях от центра, появление крена щита от одностороннего крутящего момента,
неблагоприятные режимы работы ротора и резцов в неоднородных грунтах.
Механизированные щиты с планетарными исполнительными органами применяют в основном при строительстве
перегонных тоннелей метрополитенов в устойчивых грунтах с коэффициентом крепости f≤3 (сухих и плотных суглинках, глинах, глинистых сланцах, мергелях, мягких известняках).
Планетарный механизм московского перегонного механизированного щита (рис. 4.11) состоит из двух фрез, оснащенных 12
стержневыми резцами каждая. Фрезы посажены на водило, приводимое во вращение центральным валом. Водило перемещает
фрезы по окружности и приводит их во вращение благодаря перекатыванию по неподвижному зубчатому колесу шестерен,
жестко зафиксированных на валах фрез. При работе исполнительного органа каждый резец совершает движение по эпициклоиде. Планетарный механизм вместе с главным приводом смонтирован на подвижной станине, подаваемой на забой гидроцилиндром. Разрушенный грунт захватывается двусторонними
ковшами, установленными на погрузочном колесе, соединенном
с валом. Вращение водила и фрез реверсивное от двух электродвигателей. Ковши выгружаются в верхнем своем положении в
лоток, направляющий грунт на скребковый транспортер. После
выдвижения исполнительного органа на 500 мм его отводят назад и передвигают щитовыми домкратами щит. Скорость проходки такой машины 10–12 м/сут. В Москве щитом проходились тоннели в твердых глинах, мергелях, известняке.
Московский щит с некоторыми конструктивными изменениями и увеличенной со 110 до 200 кВт мощностью главного привода был применен при строительстве Тбилисского
137

1 — водило; 2 — главный привод; 3 — резец; 4 — дисковая фреза; .5 — ножевое кольцо; 6 — опорное
кольцо; 7 — щитовой домкрат; 8 — хвостовая оболочка; 9 — щитовой транспортер; 10 — ковш исполнительного органа; 11 — редуктор; 12 — домкрат выдвижения; 13 — опорная горизонтальная перегородка

Рис. 4.11. Щит с планетарным исполнительным органом:
138

метрополитена в аргиллитах с коэффициентом крепости
до 5. В Ленинграде успешно применяли щит с планетарным
механизмом, оснащенным шестью фрезами.
Основные достоинства щитов планетарного действия:
одинаковый крутящий момент для каждого резца, минимальный крутящий момент, вызывающий поворот щита
вокруг его оси, сравнительно небольшие энергозатраты на
разработку грунта, равномерный износ резцов. В то же
время им свойствен такой недостаток, как сложность конструкции и содержания машины, а также значительное пылеобразование как следствие излишнего дробления грунта,
практическая невозможность создания больших усилий подачи на забой, что ограничивает область применения сравнительно небольшой прочностью грунтов.
Общими недостатками механизированных роторных и
планетарных щитов являются неизменный режим разрушения грунта по всей площади забоя и значительные динамические нагрузки при неоднородном забое. Этого лишены
механизированные щиты с исполнительными органами экскаваторного типа, предназначенными для избирательной
разработки забоя.
Экскаваторные органы предназначены в основном для нескальных грунтов с коэффициентом крепости 0,6–1,5. При использовании ковшов активного действия прочность разрабатываемых грунтов может быть увеличена в 1,5–2 раза. В комбинации с рассекающими горизонтальными площадками, выдвижными козырьками, поворотными забойными шандорными плитами экскаваторные органы расширяют область применения механизированных щитов на участках песчано-глинистых и сыпучих грунтов. В щитах больших диаметров обычно требуется
разделять забой на несколько ярусов мощными горизонтальными перегородками.
Механизированный щит комплекса КТ-5,6 Д2 (рис. 4.12)
снабжен экскаваторным органом 3 обратная лопата, стрела
которого состоит из трех шарнирно соединенных звеньев.
Ковш обладает подвижностью в вертикальной плоскости.
139

1 — элерон; 2 — горизонтальная перегородка; 3 — экскаваторный исполнительный орган; 4 — выдвижной козырек; 5 — домкрат козырька; 6 — домкрат замкового блока; 7 — пульт управления; 8 —
горизонтальная перегородка; 9 — хвостовая оболочка; 10 — породопогрузочная машина; 11 — водяной насос; 12 — транспортер; 13 — щитовой домкрат; 14 — опорная конструкция

Рис. 4.12. Щит с экскаваторным исполнительным органом с трехзвенной стрелой:
140

Трехзвенная конструкция увеличивает вылет стрелы, придает ей компактность, необходимую для раздельной разработки верхней и нижней половин забоя при забойной горизонтальной перегородке 2 с выдвижной площадкой, применяемой в слабоустойчивых грунтах. Стрела для поворота в
плане закреплена на турели, опирающейся на две горизонтальные перегородки 8 в опорном кольце щита. Ножевое
кольцо снабжено семью секциями выдвижного козырька 4.
В случае сложения верхней половины забоя сыпучими грунтами в ножевом кольце монтируется система жестких горизонтальных площадок. Грунт на щитовой транспортер грузится машиной 10 челюстного типа. В корпус щита встроены поворотные элероны 1.
Другой распространенной конструкцией является экскаваторный орган с телескопической стрелой, которым оснащен механизированный щит ЩМЭ-1 (рис. 4.13) завода Главтоннельметростроя. Такой орган приобретает преимущества и виде дополнительной степени подвижности ковша —
его поворота относительно продольной оси стрелы, позволяющей разрабатывать забой не только по схеме обратной
и прямой лопаты, но и вести выемку грунта в горизонтальной плоскости. Это создает удобства при оснащении щита
горизонтальными площадками, усиленными вертикальными
перегородками.
Конструкция щита КТ-8,5 Д2 большого диаметра для сооружения железнодорожных тоннелей с тремя перемещающимися
параллельно забою экскаваторными механизмами показана на
рис. 4.14. Щиты с экскаваторными органами просты и надежны в работе; удобны для выхода людей в забой при его осмотре, удалении твердых включений, закреплении при необходимости забоя; для избирательной разработки напластований
грунтов различной прочности; достаточно высоко производительны в неоднородных грунтах. Основные их недостатки —
сложность ручного управления исполнительным органом в стесненных условиях, цикличность работы, большие динамические
нагрузки на корпус щита.
141

142
143

1 — погрузчик; 2 — экскаваторный орган с телескопической стрелой; 3 — выдвижная площадка;
4 — выдвижной секционный козырек; 5 — домкрат секции козырька; 6 — корпус; 7 — горизонтальная
несущая перегородка; 8 — домкрат выдвижной площадки; 9 — пульт управления; 10 — щитовой домкрат

Рис. 4.14. Щит с экскаваторными органами для проходки тоннелей большого диаметра:

1 — щитовой транспортер; 2 — подгребающая погрузочная машина; 3 — горизонтальные площадки;
4 — корпус; 5 — экскаваторный орган; 6 — пульт машиниста экскаватора; 7 — пульт машиниста щита;
8 — несущая перегородка

Рис. 4.13. Щит с экскаваторным органом в виде телескопической стрелы:

144

1 — стрела; 2 — фреза; 3 — выдвижной козырек; 4 — домкрат козырька; 5 — опорное кольцо; 6 — пульт
управления; 7 — хвостовая оболочка; 8 — щитовой домкрат; 9 — горизонтальная перегородка;
10 — тоннель; 11 — элерон; 12 — породопогрузочная машина

Рис. 4.15. Щит со стреловым фрезерным органом:

4.4. Механизированные щиты
и тоннелепроходческие машины
для проходки в скальных грунтах
В скальных грунтах с коэффициентом крепости f = 3÷4 с
успехом применяются механизированные щиты, рассмотренные в п. 14.3, кроме щитов с экскаваторными исполнительными органами.
В скальных грунтах средней крепости с f = 3÷6 преимущественное распространение получили щиты со стреловыми фрезерными и роторными органами. При большей крепости скальных грунтов (до f = 8÷10) эффективны в основном
роторные щиты. Если по трассе тоннеля в скальном массиве встречаются зоны тектонических нарушений сравнительно большой протяженности, сложенные раздробленными
слабоустойчивыми скальными грунтами, применяют роторные щиты. При гарантированной устойчивости скального
массива используют тоннелепроходческие машины, в которых щитовой корпус отсутствует.
Щиты со стреловыми исполнительными органами предназначены для проходки тоннелей, главным образом, среднего
диаметра. Перегонный механизированный щит КТ1-5,6 Д2
выпускают со сменным оборудованием в исполнении с экскаваторным и стреловым органами (рис. 4.15). Телескопическая стрела с выдвижением 600 мм оснащена резцовой
фрезерной коронкой, привод вращения которой размещен в
корпусе стрелы. Все движения стрелы осуществляются при
помощи гидроцилиндров. Резцовая коронка может быть
подведена к любой точке забоя и разрабатывает забой по
оптимальной для конкретных условий схеме. Для возможности работы стрелы забойную горизонтальную перегородку
щита демонтируют. Щит оборудуют системой пылеподавления.
За рубежом имеются щиты более сложных конструкций:
например, на стреле установлено по две коронки или стрела
выполнена в виде поперечного поворотного рычага, вдоль
которого перемещается коронка.

145

Применение стреловых органов возможно лишь в условиях вполне устойчивого забоя и не зависит от формы выработки. Скальный грунт при неоднородном его залегании
может разрабатываться с различными скоростями подачи
коронки, что способствует высокой производительности
при экономном расходе энергии, увеличению срока службы
резцов. Стреловой орган удобен для обслуживания и, главное, замены резцов. Открытый свободный забой облегчает
его обзор, удаление крупных трудно разрабатываемых валунов. На щит от стрелового органа передается сравнительно небольшой реактивный момент. Однако управление
работой коронки сложное и требует высокой квалификации. При этом образуется значительное количество пыли,
ухудшающей нормальные условия работы и видимость.
Выбор породоразрушающего инструмента зависит в основном от двух параметров — прочности грунтов и их абразивности. Для резания мягких грунтов применяют пластинчатые резцы из заточенных полос стали 45. В слабых и средней
крепости скальных грунтах с небольшой и средней абразивностью распространен инструмент в виде стержневых резцов, которыми оснащаются роторные, планетарные и стреловые органы. Резцы специальной конфигурации армируют
пластинами твердого сплава ВК-6, ВК-8 высокой износостойкости и достаточно хорошо противостоящего ударным
нагрузкам. На отдельный резец передают усилие резания
10–20 кН.
В скальных грунтах средней крепости, высокой абразивности и в крепких (f = 6÷10) стержневые резцы заменяют шарошечным инструментом: дисковыми, зубчатыми и штыревыми
(рис. 4.16). К шарошкам диаметром 200–400 мм можно прикладывать значительно большее усилие (до 150–200 кН), а
срок их службы ввиду замены трения скольжения трением
качения и удлинения рабочих кромок во много раз больше
срока службы стержневых резцов. Дисковые шарошки, применяемые в хрупких скальных грунтах, выполняются одно- и
многодисковыми, зубчатые — с различным числом венцов.
146

Рис. 4.16. Штыревая шарошка
для твердых вязких пород

Лезвие дисков и зубцы венцов упрочняют наплавкой твердого
сплава. Штыревые шарошки рассчитаны на твердые, вязкие,
скальные грунты.
Для проходки крепких скальных пород с пересечением
отдельных слабоустойчивых зон в СССР был создан механизированный щит ММЩ-1 с роторным исполнительным
органом, оснащенным дисковыми шарошками. Щит запроектирован как универсальный, его рациональная область
применения — скальные грунты с f = 2÷8. Компоновочная
схема щита принципиально не отличается от схемы щита
КТ1-5,6 (см. рис. 4.10), за тем исключением, что щитовой
транспортер перенесен в лотковую часть щита. Ротор представляет собой мощную пятилучевую конструкцию, рассчитанную на усилие подачи 6000 кН. Главный привод вращения ротора от четырех электродвигателей имеет общую
мощность 560 кВт. Частота вращения ротора регулируется
от 0,5 до 3 об/мин.
Представляет интерес роторный щит фирмы “Роббинс”,
использованный для проходки дренажно-транспортной
штольни диаметром 4,5 м Северомуйского тоннеля БАМа
(рис. 4.17). Особенность щита — двухсекционный телескопический корпус длиной 7 м. В головной секции с опорным
и ножевым кольцами размещается роторный исполнительный орган с приводом от четырех электродвигателей пере147

1 — дисковая шарошка; 2 — головная секция корпуса; 3 — телескопическое соединение оболочек; 4 —
электродвигатель привода вращения; 5 — хвостовая секция корпуса; 6 — гидроцилиндр распорного
устройства; 7 — щитовой домкрат; 8 — распорное устройство; 9 — домкрат подачи; 10 — тангенциальный
гидроцилиндр; 11 — ротор; 12 –защитные полосы

Рис. 4.17. Щит с роторным органом для проходки тоннельных выработок в крепких скальных породах
с зонами тектонических разломов:
148

менного тока общей мощностью 590 кВт. В хвостовой секции, включающей опорное кольцо с щитовыми домкратами,
находится распорное устройство, позволяющее обеспечить
подачу головной секции совместно с ротором ни забой с усилием 4300 кН (максимальное усилие до 12 000 кН). Гидроцилиндры подачи установлены в промежутке между секциями,
сочленяющимися оболочками, телескопически входящими
одна в другую. На роторе закреплены 32 дисковые двухопорные шарошки с возможностью их замены изнутри щита.
Реактивный крутящий момент от ротора передается на распорную секцию через два тангенциальных гидроцилиндра. Разрушенный грунт поступает через прорези в роторе на центрально расположенный транспортер. Щит может работать с возведением блочной железобетонной обделки, крепи из анкеров с набрызгбетоном или крепи из стальных арок. В однородных грунтах проходка тоннеля велась со средними скоростями 6 м/сут.
Однако зоны тектонических разломов без дополнительных мер
и горнопроходческих работ щит не преодолевал.
В состав тоннелепроходческой машины (рис. 4.18) входят: роторный исполнительный орган с шарошечным инструментом, привод ротора, несущая рама с передней и задней опорами, механизм вертикальной регулировки ротора,
распорное устройство, гидроцилиндры подачи, транспортер, пульт управления, головной защитный козырек.
В цикле работы тоннелепроходческой машины выделяются следующие главные фазы (рис. 4.19): разработка грунта с непрерывной подачей ротора на забой при опирании на
распорное устройство и подтягивание опорного устройства
с его последующим разжатием в стены выработки
Эффективность работы тоннелепроходческой машины
зависит от двух силовых факторов — крутящего момента
на роторе и напорного усилия подачи его на забой. В крепких скальных породах мощность, подводимая к ротору машины средних диаметров, достигает 500–700 кВт, больших
диаметров — до 1200 кВт. Для машины средних диаметров
напорное усилие подачи ротора составляет 5000–6000 кН, а
больших диаметров — 8000–10 000 кН.
149

1 — главный подшипник; 2 — ротор; 3 — пылезащитный экран; 4 — козырек; 5 — экран лазера; 6 —
бурильная установка для анкеров; 7 — вентиляционная труба; 8 — пульт управления; 9 — транспортер;
10 — тележка вспомогательная; 11 — хвостовая опора; 12 — тельфер; 13 — распорное устройство; 14 —
гидроцилиндр подачи; 15 — несущая рама; 16 — электродвигатель главного привода; 17 — передняя
опора; 18 — дисковая шарошка

Рис. 4.18. Схема тоннелепроходческой машины:
150

Рис. 4.19. Последовательность работы тоннелепроходческой
машины:
а — начало проходки; б — конец проходки; в — подтягивание
опорного устройства

Очевидно, что при больших затратах энергии, высокой стоимости быстроизнашиваемого твердосплавного инструмента,
значительных амортизационных издержках машинная проходка тоннелей становится конкурентоспособной по отношению к
проходке с буровзрывными работами только при условии высоких скоростей и сокращении сроков строительства. Скорости проходки с использованием тоннелепроходческих машин в
однородных устойчивых скальных грунтах без возведения обделки достигают в среднем 300–500 м/мес при рекордных до
151

1000 м/мес. Экономичность тоннелепроходческих машин возрастает с увеличением длины сооружаемого тоннеля.
4.5. Определение основных параметров
механизированных щитов
Геометрические размеры механизированных щитов определяют в соответствии с методикой расчета немеханизированных (см. п. 3.5) с некоторыми уточнениями. Формула
для определения наружного диаметра оболочки щита остается прежней.
Полная длина механизированных и специализированных
щитов обусловлена их конструктивным решением и габаритными размерами устройств, размещаемых внутри щитового пространства. Большей частью требуется лишь поиному устанавливать ширину ножевого кольца. Иногда в
полную длину щита необходимо включать размер по продольной оси исполнительного органа, вынесенного вперед
за пределы ножевого кольца.
Расчет на прочность и определение усилия передвижения
механизированных щитов осуществляют так же, как и для
немеханизированных. У механизированных щитов в большинстве случаев отсутствует лобовое сопротивление. Только в щитах, предназначенных для проходки в неустойчивых
грунтах, исполнительный орган в виде дискового ротора
воспринимает давление грунта со стороны забоя.
При проходке тоннеля в водонасыщенных неустойчивых
грунтах герметизированным щитом или щитом с приемной
камерой, заполненной глинистой суспензией, лобовое сопротивление вычисляют, принимая во внимание взвешенный
удельный вес грунта, и затем суммируют с силой
Fкn = 1000 pпк A,
где p пк — избыточное давление в приемной камере, гидравлически
связанной с призабойным пространством, МПа;
А — площадь поперечного сечения щита, м2.

Установленная мощность механизированных щитов значительно выше немеханизированных.
152

Требуемая для разработки грунта мощность зависит от
заданной производительности щита, его диаметра, сопротивляемости грунта разрушению. Существует два основных подхода к определению этой мощности:
а) по усилиям резания грунтов породоразрушающим резцовым инструментом;
б) по удельной энергоемкости процесса разработки грунта.
Для щитов с роторным исполнительным органом мощность (кВт), затрачиваемая на разработку грунта,

N=

2 πM кр n ио
η

,

где Mкр — крутящий момент на валу исполнительного органа, кН·м;
nио — частота вращения исполнительного органа, с–1;
η — к.п.д. привода, равный 0,85–0,9.

Для дискового роторного органа при проходке в слабоустойчивых и неустойчивых грунтах крутящий момент необходим для преодоления в основном сил трения:
π
3
M кр = (1,2 ÷ 1,5 ) f тр1 p1 Dио
,
12
где множитель 1,2 учитывает затраты на резание и погрузку грунта
(относится к разработке песков), 1,5 — глин (промежуточные между
1,2 и 1,5 значения принимают для супесей и суглинков); fтр1 — коэффициент трения грунта по стали; p1 — горизонтальное давление грунта, МПа; Dио — диаметр исполнительного органа, м.

В устойчивых грунтах для щита с лучевым роторным органом

M кр = 1,12 mzк pz

Dио
,
4

где множитель 1,12 учитывает дополнительные сопротивления, в том
числе и при погрузке грунта; m — число резцов на одной линии
резания; zк — число резцов, одновременно контактирующих с забоем;
zк =

Dио
2
,
— оптимальный шаг резания, м,
2t окt tопт = 0,021 + 0,0012(6,3 − f )

при 1 ≤ f ≤ 6; pz — усилие резания для стержневого резца, кН; приближенно при 1 ≤ f ≤ 6;
153

pz = 4 + 0,5 f − (1,5 − 0,35 f ) .
3

Для щитов с экскаваторными и челюстными органами
мощность

npка v к
N=
,
η
где n — число рабочих органов;
pка — активное напорное усилие на режущей кромке ковша, кН,
приближенно при 0,5 ≤ f ≤ 1,5

pка = (12,2 + 3,6 f ) bк h.;
2

bк — ширина ковша, м;
h — толщина стружки, равная 0,05–0,15 м;
υк — скорость движения ковша при копании, равная 0,5–1 м/с.

Для щитов с планетарным, стреловым, фрезерным исполнительными органами, а также роторных щитов и тоннелепроходческих машин, оснащенных шарошками, мощность, затрачиваемая на разработку грунта,

N=

Wуд Av
n

,

где Wуд — удельный расход электроэнергии на разработку 1 м3 грунта, кВт·ч/м3;
для стержневых резцов при 1 ≤ f ≤ 6 Wуд = 0,46 + 0,5 (f – 1) ;
2

для шарошек при 6 ≤ f ≤ 10 Wуд = 13 + 2,2 (f – 6);
А — площадь фронтальной проекции исполнительного органа;
для фрезерного органа — площадь боковой проекции фрезы, м2;
υ — скорость подачи исполнительного органа на забой, м/ч.

Мощность, затрачиваемая на погрузку породы исполнительным органом, в этих щитах может быть принята равной 20–25 кВт, а мощность электродвигателя щитового
транспортера — в пределах 12–16 кВт.
154

Мощность привода челюстной породопогрузочной машины составляет в среднем 20 кВт.
Установленную мощность щита подсчитывают как сумму отдельных составляющих мощности, затрачиваемых на
разработку, погрузку и выдачу грунта, передвижение
щита, подачу исполнительного органа.
Установленную мощность всего проходческого комплекса определяют, суммируя мощности электродвигателей приводов всех видов оборудования.
Теоретическая производительность щита (максимально
возможная) QТ равна скорости проходки и возведения обделки υщ (м/ч). Техническую производительность Qтех определяют как среднюю производительность работы щита в
течение смены продолжительностью Т, ч:

Qтех = k техTQТ ,
где kтех — коэффициент использования щита, равный 0,6–0,7.

Эксплуатационную производительность Qэ рассчитывают для всего проходческого щитового комплекса как месячную скорость проходки с учетом всех технологических
операций и организационно-технических простоев, не зависящих от конструкции щита:

Qэ = 24 (3 ÷ 4 )Qтех k э ,
где 3÷4— число смен в сутки в зависимости от продолжительности Т
смены при 21–25 сут работы в месяц;
k э — коэффициент использования проходческого комплекса, учитывающий все виды простоев, в том числе затраты времени
на техническое обслуживание и текущий ремонт проходческого оборудования, равный 0,5–0,7.

4.6. Типы укладчиков сборных обделок
Для возведения сборной тоннельной обделки применяют
специальные механические устройства — укладчики. Механизмы, предназначенные для сборки тюбинговой обделки
со связями растяжения, называют тюбингоукладчиками, а
железобетонной блочной обделки — блокоукладчиками. По
155

назначению различают укладчики для щитовой проходки
тоннелей, бесщитовой (эректорной) проходки, для проходки
наклонных тоннелей. По конструктивной схеме укладчики
подразделяют на три основные группы: рычажные, дуговые
и стреловые. Энергия привода может быть различной, и по
этому признаку укладчики делят на гидроприводные, электроприводные, электрогидроприводные и пневмоприводные.
Пневмоприводные применяют редко.
В щитовом проходческом комплексе укладчики размещают непосредственно на щите или на отдельной опорной
металлоконструкции. Как отдельный вид автономного оборудования укладчик тоннельной обделки дополнительно
используют и для других целей: служит для размещения
различного оборудования, является подмостями для ведения
основных и вспомогательных проходческих работ. В этом
случае укладчики представляют собой сложные машины,
способные к самостоятельному передвижению. Наиболее
часто такие укладочные машины, называемые эректорами,
применяют при бесщитовой проходке тоннелей. Они имеют
мощную несущую металлоконструкцию и снабжаются защитными устройствами, ограждающими механизмы при
взрывных работах. Для ведения работ по разработке и креплению забоя, монтажу обделки укладчики оборудуют на
разных уровнях выдвижными рабочими платформами, защитными козырьками.
Для монтажа сборной обделки укладочные механизмы должны обладать, по крайней мере, тремя степенями подвижности,
обеспечивающим; перемещение монтируемого элемента обделки по радиальному направлению в поперечном сечении тоннельной выработки, кольцевому и продольному вдоль оси тоннеля.
Наиболее просто такой набор перемещений монтируемого элемента осуществляется широко распространенными рычажными укладчиками, рабочий органы которых вращается в плоскости, перпендикулярной оси тоннеля, и смещается по оси тоннеля.
В технологических проходческих комплексах, следующих за механизированными щитами, процессы транспорти156

рования грунта от щита и сборки обделки часто совмещают. Чтобы сделать эти процессы независимыми друг от
друга, укладчики, входящие в состав технологических комплексов, конструктивно выполняют с полым валом или
кольцевыми и дуговыми для размещения транспортера
внутри укладочного механизма. Такую же задачу решают
при использовании двух рычагов, расположенных по обе
стороны от транспортера.
В зависимости от типа обделки, размеров ее поперечного
сечения укладчики перемещаются по опорам-кронштейнам,
устанавливаемым на повышенном уровне, близком к горизонтальному диаметру кольцевой обделки, на опорах-стойках или на лотковой части тоннеля. Такого типа укладчики
получили в последнее время преимущественное применение
как не требующие отдельной операции по переноске и установке опор-кронштейнов и способные к работе в тоннелях и
с тюбинговой и с блочной обделками
Укладчики сборной обделки созданы не только для конструкции постоянной крепи кругового очертания, но и для обделок
других форм — арочной, сводчатой, прямоугольной.
К укладчикам предъявляют жесткие требования по надежности и безопасности их эксплуатации как к подъемным
механизмам.
Классификация укладчиков тоннельной обделки, построенная по различным признакам, приведена на рис. 4.20.
4.7. Рычажные и кольцевые укладчики
Укладчики рычажного и кольцевого типов получили наибольшее применение в тоннелестроении. Рычажный укладчик используют в основном при проходке тоннелей немеханизированными и частично механизированными щитами, а
также при бесщитовой проходке. Кольцевые укладчики входят в состав технологических проходческих комплексов
механизированных щитов.
Рычажный укладчик ТУ-3Гп завода Главтоннельметростроя (рис. 4.21) для перегонного тоннеля, сооружаемого
157

158
159

Рис. 4.21. Рычажный укладчик

Рис. 4.20. Классификация укладчиков сборной тоннельной обделки

немеханизированным щитом, позволяет монтировать как
чугунную тюбинговую, так и блочную железобетонную
обделку. Его основными элементами является рычаг 4 с
противовесом 5 и выдвижной штангой, на конце которой
помещен захват 3 для закрепления тюбингов или блоков.
Штанга выдвигается гидроцилиндром. Рычаг укреплен на
главном валу с гидравлическим приводом вращения 9. Рычаг может совершать поступательное движение (0–16 см) от
гидроцилиндра 10, помещенного в торце главного вала.
Несущая металлоконструкция выполнена в виде тележки 2
на стойках с шагающим механизмом перемещения 1. К
стойкам присоединена плоская лотковая металлоконструкция в виде платформы с центральным рельсовым путем,
находящейся на лотковом блоке с плоской поверхностью
или на нормальных чугунных тюбингах. Для опирания на
тюбинги под платформой предусматриваются продольные
балки.
Для удобства монтажа кольца обделки укладчик оборудован выдвижными рабочими платформами 8, расположенными в двух уровнях. При сборке обделки из железобетонных блоков без связей растяжения используют выдвижные с
приводом от гидроцилиндров балки 7, на концах которых
закреплены упоры 6, поддерживающие и поджимающие блоки к оболочке щита. Направляющие балок опираются на
две арки. На укладчике размешены щитовые насосные установки, электрошкафы, пульт управления. Механизм перемещения расположен вдоль опорных стоек и представляет
собой две выдвижные промежуточные балки с откидными
захватами на передних концах. Балки перемещаются гидроцилиндрами. Порядок операций при передвижении укладчика следующий. Подъемными гидроцилиндрами, расположенными в стоиках тележки, балки приподнимают, перемещают вперед при помощи гидроцилиндров выдвижения и
закрепляют откидными захватами за торец смонтированного кольца. Затем подъемными гидродомкратами, опирающимися спаренными катками на промежуточные балки, под160

нимают всю тележку и обратным ходом гидродомкратов
перекатывают ее в новое положение.
Укладчик рычажного типа для бесщитовой проходки перегонных тоннелей по своей конструктивной схеме не отличается
от щитового укладчика. Однако его необходимо оснащать дополнительными устройствами: выдвижным секционным козырьком для защиты людей от вывалов из кровли и защитными решетками для предохранения механизмов укладчика при ведении
взрывных работ в скальных грунтах.
Рычажные укладчики как при щитовой, так и при бесщитовой проходке применяют совместно с автономными породопогрузочными машинами. В процессе монтажа обделки
рычаг полностью пересекает поперечное сечение тоннеля.
Вследствие этого работы по погрузке и выдаче грунта из
забоя могут начинаться только после окончания сборки
кольца и перевода рычага в горизонтальное положение.
Функции рычажных укладчиков некоторых типов расширены. Так, станционный укладчик оснащен монорельсом
с консольным вылетом и тельфером для подъема на площадку вагонетки с материалами для приготовления цементно-песчаного раствора, нагнетаемого за обделку при помощи растворонагнетателя, размещаемого в нижней части
укладчика. С выдвижных платформ, расположенных в трех
ярусах укладчика, производится оборка контура выработки, крепление лба забоя и обуривание забоя, заряжание
шпуров. В мягких грунтах с платформ ведется разработка
забоя ручным пневматическим инструментом.
Повышенную скорость сборки обделки дают двухрычажные укладчики. Одна из конструкций таких укладчиков
имеет полый главный вал, через который пропущен транспортер для выдачи грунта из механизированного щита.
Для монтажа тюбинговой обделки коротких выработок
предложен укладчик (рис. 4.22), у которого рычаг имеет
двухзвенную конструкцию с шарнирным скреплением звеньев. Рычаг с приводом размещен на подъемной платформе,
связанной с ходовой тележкой параллелограммным меха161

1 — опорная балка; 2 — рычаг; 3 — платформа; 4 — тяга; 5 — стрела; 6 — рама; 7 — захват;
8 — ходовая часть

Рис. 4.22. Рычажный укладчик для коротких тоннельных выработок:
162

низмом. Все приводы выполнены в виде гидроцилиндров.
Укладчик позволяет собирать обделки диаметром 4,5–6,5 м.
Общее достоинство однорычажных укладчиков состоит
в простоте их конструкции и надежности в работе.
Кольцевые укладчики в сравнении с рычажными обладают следующим преимуществом: могут совмещать сборку
кольца обделки и транспортирование разработанного грунта
от механизированного щита. Рабочий орган укладчика имеет
вид кольца, через которое пропущен ленточный транспортер.
Примером служит кольцевой укладчик ТУ-7М завода Главтоннельметростроя (рис. 4.23) для монтажа сборной чугунной тюбинговой или железобетонной блочной обделки перегонного тоннеля. Рабочий орган вращается на внутренних
Катковых опорах 3, закрепленных на раме 2, поступательно
перемещаемой вдоль оси тоннеля гидроцилиндром. К торцу
кольца присоединен механизм выдвижения из двух параллельных штанг 1, на которых навешена траверса 4 с захватом 5. Штанги выдвигаются гидроцилиндрами. Вращение
рабочего органа укладчика совершается при помощи зубчатой передачи с внутренним зацеплением от электропривода.
Для подачи элементов обделки под захват используют платформы или рольганг, длина которого позволяет собирать все
элементы монтируемого кольца обделки. Перемещение элементов по рольгангу принудительное от гидроцилиндров. Блоки
или тюбинги подаются на рольганг специальным перестановщиком. Имеются модификации укладочного механизма, в котором траверса выдвигается винтовыми домкратами с электроприводом (см. рис. 4.23).
Одна из конструкций кольцевого укладчика снабжена
двумя боковыми гидравлическими распорными устройствами для обжатия обделки в окружающий грунт.
Кольцевой укладчик на внешних катковых опорах устанавливается на щите, так как это вызвано необходимостью закрепления опор на его оболочке. Укладчик на щите лишается одного
из преимуществ автономных укладочных агрегатов — возможности переборки колец обделки, обусловленной теми или иными
причинами.
163

Рис. 4.23. Кольцевой укладчик

4.8. Дуговые и стреловые укладчики
Для сборки обделки преимущественно из крупных железобетонных блоков применяют дуговые укладчики. Их можно подразделить на укладчики с неподвижной дугой и с
поворотными дугами. Близки к ним и кассетные укладчики,
также включающие в свой состав дугу для перемещения
блоков.
Хорошие эксплуатационные качества показал дуговой блокоукладчик, установленный на щите (рис. 4.24). Он представляет собой конструкцию в виде дуги 2 с роликами 1, по которым
перемещаются крупные блоки: вначале последовательно два
верхних блока из четырех, затем нижние. Подъем блока по хвостовой оболочке к дуге и перемещение по ней выполняются при
помощи канатов и электроприводных лебедок 3. По мере укладки блоки закрепляются фиксаторами 5. Приведение блоков
в проектное положение по контуру кольца осуществляется после передвижения щита посредством радиальных вспомогательных домкратов 4.

Рис. 4.24. Дуговой
укладчик,
расположенный на щите
164

165

166

1 — дуга; 2 — козырек; 3 — блок; 4 — выдвижная платформа

Рис. 4.25. Блокоукладчик с поворотными дугами для сводчатых сборных обделок:

Одна из конструкций блокоукладчика с поворотными дугами, разработанная для монтажа сборной сводчатой обделки
двухпутных мысовых железнодорожных тоннелей БАМа, показана на рис. 4.25.
На портальной раме, перемещаемой по рельсам вблизи от
опорных узлов, шарнирно закреплены две дуги. В крайнем верхнем положении дуги почти смыкаются друг с другом, оставляя
проем для заводки замкового элементе. При монтаже обделки
одну из дуг опускают, укладывают на нее блоки в количестве,
составляющем полусвод. Затем дуга с зафиксированными блоками поднимается и устанавливает полусвод в проектное положение. Аналогичная процедура выполняется и для другой дуги.
В свод затем вводится замковый элемент.
Сущность блокоукладчика кассетного типа с вращающимся кондуктором поясняет рис. 4.26. На горизонтальной раме
2 вращается на катках кассета-кондуктор 1, представляющая собой незамкнутое жесткое кольцо с цевочным зацеплением. Привод вращения кассеты от гидродвигателя 3. На
кассете по внешнему контуру установлены в определенных
местах выдвижные захваты. Блок подают под укладку, когда кассета установлена своим проемом вниз. Последним
устанавливают лотковый блок. Навешенный таким образом
на кассету комплект обжимают обжимными гидроцилиндрами, придавая необходимую форму.
Эффективен существенно снижающий трудоемкость и
время монтажа обделки конвейерный блокоукладчик щитового проходческого комплекса КТ1-5.6. Его применяли для
сооружения перегонных тоннелей при строительстве Ленинградского метрополитена (рис. 4.27).
Блокоукладчик состоит из кольцевого незамкнутого кондуктора, двух проталкивающих механизмов 9, приводов 8,
несущей конструкции 14. Кольцевой кондуктор оснащен
выше горизонтального диаметра направляющими роликоопорами 4 и откидными фиксирующими 12 и клиновыми 13
упорами, препятствующими смещению блоков вниз. Кондуктор состоит из трех шарнирно соединенных сегментов:
среднего 6 и двух боковых 2 и 7. Боковые сегменты могут

167

отклоняться в стороны гидродомкратами 3. Кондуктор имеет возможность перемещаться в вертикальном направлении
гидродомкратами 1, а также вдоль оси тоннеля. Проталкивающий механизм снабжен захватом 10, перемещающим
блок обделки 11 по оболочке щита 5. Обделка замыкается
в кольцо лотковыми полублоками и разжимается распорным домкратом 15. Приводы проталкивающих механизмов,
выполненные в виде электролебедок, в последней модификации укладчика заменены гидродомкратами,
Блоки обделки укладываются на оболочку щита в лотковой
ее части и поочередно то вправо, то влево проталкиваются по
кондуктору в проектное положение. В последнюю очередь устанавливаются два лотковых полублока с плоской поверхностью,
и после выхода кольца из-под оболочки щита оно разжимается в
грунтовой массив. Таким образом, все операции по монтажу
168

Рис. 4.27. Конвейерный укладчик ленинградского метрополитена

Рис. 4.26. Кассетный блокоукладчик с поворотным кондуктором

169

обделки ведутся в лотковой части тоннеля, что обеспечивает
удобство и безопасность работ. Блокоукладчик позволил сократить время монтажа кольца обделки в 2–3 раза, доведя его до
12–15 мин. Стреловые укладчики тоннельной обделки применяют довольно редко. Им свойственны такие недостатки, как высокие нагрузки на стрелу и опорную конструкцию, сложность
управления вследствие отсутствия фиксированных траекторий
перемещения монтируемого элемента обделки.
Контрольные вопросы
1. Какие типы механизированных щитов применяют при сооружении тоннелей?
2. Какие параметры определяют при расчете механизированных
щитов?
3. На какие основные типы подразделяются укладчики сборной
тоннельной обделки?

170

Глава 5
СООРУЖЕНИЕ ТОННЕЛЕЙ ЩИТОВЫМ СПОСОБОМ
5.1. Подготовительные работы
Подготовительные работы при щитовой проходке включают сооружение монтажных камер, доставку щитового
оборудования в разобранном виде и монтаж щита.
Монтажные камеры размещают на трассе сооружаемого тоннеля так, чтобы имелась возможность их повторного использования для монтажа щита противоположного направления или для
демонтажа щита, закончившего проходку.
По конструкции камеры разделяются на два типа: из монолитного бетона, сооружаемые горным способом, и из чугунных
и железобетонных тюбингов обделки кругового очертания.
Внутренние габариты камеры обусловлены размерами
монтируемого щита и требованиями размещения подъемных и монтажных устройств. Обычно от верха щита до
свода камеры должно быть расстояние 0,5–0,75 м. Боковые
проходы между щитом и стеной камеры составляют 0,8 м
по ширине. Длину камеры назначают 6 м с учетом последующей сборки в ней укладчика. Конструкция камеры из
монолитного бетона в нескальных грунтах (рис. 5.1) имеет
верхний свод, стены, обратный свод (при боковом давлении) и торцовые стены, в которых устроены проемы для
вывода смонтированного щита и ввода демонтируемого
щита. Проемы до передвижки щитов заделывают временным заполнением. В крепких скальных грунтах, подстилающих нескальные, применяют конструкцию в виде полукамеры, требующую значительно меньшего объекта работ при
сооружении.
Камеры е тюбинговой обделкой наиболее просты в сооружении, так как представляют собой по существу отрезок тоннеля с бетонными торцовыми стенами. Такие щитовые камеры получили широкое распространение в строи171

В своде камер закрепляют продольные балки или проушины
для крепления блоков и талей. Для монтажа применяют лебедки.
В лотковой части камеры обычно устраивают бетонную подушку с забетонированными направляющими рельсами по контуру
опирания корпуса щита. Для вывода щита из камеры в ее лотковой части укладывают неполные тюбинговые кольца с упором
в торцовую стену и передвигают щит нижними щитовыми домкратами вплотную к проему. Затем разбирают временное заполнение с подкреплением при необходимости обнажающегося
грунта. Дальнейшее продвижение щита осуществляют по обычной технологии.
Для щитов малых диаметров с неразборным корпусом
вместо подземной монтажной камеры сооружают с поверхности земли монтажный ствол. Щит целиком опускают в
ствол при помощи крана или лебедок с полиспастами.
При мелком заложении тоннелей (рис. 5.2) сборку щита 1 ведут в котловане 2. При строительстве линии метрополитена используют, как правило, часть котлована, в котором возводят
станционные сооружения. Подготовительные работы состоят из
устройства направляющего лотка 6 с рельсами, кружал 5 для
поддержки опорных тюбингов 3 или блоков, металлического 4
или железобетонного упора. Монтаж щита ведут с помощью
общестроительных кранов. Перед выводом щита собирают несколько тюбинговых полуколец, опирающихся на упор.

Рис. 5.1. Щитовые камера (а) и полукамера (б)

тельстве. Для перегонных щитов диаметром 5,5–6 м возводят камеру с тюбинговой обделкой диаметром 8,5 м. Для
станционных щитов диаметром 9,5 м требуется обделка с
внутренним диаметром 11,2 м, а при диаметре щита 8,5 м —
не менее 10 м. Внутреннее сечение подходных выработок
должно иметь размеры, позволяющие пропускать все элементы и оборудование щита.
172

Рис. 5.2. Монтаж щита в котловане
173

1 — секция; 2 — щит

Рис. 5.3. Опускная кессонная секция с щитовыми камерами:

В сложных инженерно-геологических условиях, особенно
в водоносных и неустойчивых грунтах, применяют специальные способы вывода щита на трассу, если нет возможности запроектировать тоннель с выходом из зоны необводненных грунтов в зону обводненных.
По одному из способов, предложенному и примененному
при строительстве Московского метрополитена, на поверхности земли над трассой тоннеля изготавливают из монолитного железобетона кессонную секцию (рис. 5.З) с щитовой камерой. В камеру через торцовые стены заводят
предварительно собранные щиты с тюбингоукладчиками,
проемы в торцах заполняют временной кладкой с металлическими балками, над сводом секции сооружают обделку
шахтного ствола с кессонной перегородкой и шлюзовыми
аппаратами. Секцию опускают на проектную отметку кессонным способом, наращивая ствол. По мере погружения
разработанный грунт отсыпают над секцией. Щиты выводят из камеры под сжатым воздухом, предварительно разобрав заполнения проемов. После проходки отрезков тоннеля (25–30 м) в них сооружают шлюзовые перегородки.
Ценность способа состоит в возможности вывода щита в
любом месте по трассе тоннеля, что особенно важно при
строительстве подводных тоннелей. Вывод щита на трассу
возможен и путем его опускания через ствол шахты, сооружаемый кессонным способом (рис. 5.4). При необходимости
ствол используют повторно для щитовой проходки в противоположном направлении. Демонтажные камеры сооружают заблаговременно до подхода щита по технологии возведения монтажных. Более прогрессивен, однако, способ, когда камера из чугунных тюбингов возводится с помощью
самого щита.
5.2. Работы в забое немеханизированного щита
Технология работ в забойной зоне при проходке тоннелей
немеханизированными щитами определяется главным образом геологическими и гидрогеологическими условиями. С
174

175

Рис. 5.4. Схема опускания щита через ствол шахты:
1 — щит; 2 — ствол шахты; 3 — проем с временным заполнением

изменением этих условий по трассе тоннеля должны соответственно меняться и способы работ. Если забой неоднородный, то технология работ различна и по поперечному
сечению тоннеля.
Проходка в неустойчивых грунтах. Организация и ведение проходческих работ должны быть подчинены главной
задаче — не допускать выпуска грунта, в результате которого может создаться аварийная ситуация (обрушение забоя, затопление тоннеля, образование провалов поверхности и разрушение зданий). Поэтому все проходческие работы должны осуществляться в строгом соответствии с
проектом и паспортом крепления забоя.
Проходку ведут глухим забоем под защитой ножевой
части щита с обязательным временным креплением лба и
176

кровли. Особое значение придается ограждению верха выработки, которое осуществляют с помощью выдвижных или
постоянных козырьков, установленных на ножевом кольце
и выступающих вперед на 0,3–1 м.
Разработка и крепление забоя зависят от характера и
состояния неустойчивых грунтов, их обводненности. В сыпучих и некоторых пластичных грунтах естественной влажности, а также осушенных искусственным понижением
уровня подземных вод или сжатым воздухом применяют
разработку забоя при сплошном временном шандорном
креплении (рис. 5.5, а) досками 2, распределительными брусьями 1 и забойными домкратами 5. Иногда для повышения
устойчивости забоя на отдельных ярусах щита применяют
забивную стальную крепь 6.
Работы начинают с вдавливания щита в массив на возможную величину. Затем во всех ячейках отдельного яруса
ведут выемку грунта сверху вниз небольшими заходками
(0,3 м по высоте и 0,25–0,3 м по глубине) с перестановкой
деревянной крепи и временным ее подкреплением деревянными распорками, переносными винтовыми и забойными
домкратами. Разработанный грунт сбрасывают вниз. После каждого перекрепления забоя щит передвигают.
На кольцо обделки приходится три-четыре передвижки
щита. Если проходка ведется под сжатым воздухом, в нижней части забоя 7 грунт переувлажнен и может оплывать с
последующими деформациями вышележащих слоев. Чтобы
не допустить этого, можно устанавливать стальную диафрагму 3 высотой до трети диаметра щита с отверстиями 4
для впуска грунта. Щитовая проходка с шандорной деревянной крепью связана с большими затратами ручного квалифицированного труда и низкими темпами работ. Применение в сыпучих грунтах горизонтальных площадок, рассекающих забой на небольшие по высоте ярусы, существенно
облегчает проходческие работы и позволяет добиться высоких скоростей сооружения тоннеля.
177

а — при проходке в неустойчивых породах; б — в ячейке щита при проходке в глинах

Рис. 5.5 Крепление забоя:

В обводненных грунтах для предотвращения внезапного выпуска разжиженного грунта в тоннель применяют дополнительные противоаварийные устройства в ячейках щита. Дополнительные местные короткие диафрагмы — верхняя 1 и нижняя 3
(рис. 5.6, а — показана верхняя половина щита) — в опорном
кольце 2 щита образуют своего рода гидравлический затвор при
прорыве воды в забое. Движение воды, поднявшейся до уровня
нижнего края передней диафрагмы, останавливается противодавлением сжатого воздуха, выход которому в забой закрыт
водной преградой. Секторные затворы 4 (см. рис. 5.6, б), размещаемые по одному в каждой ячейке щита, в случае необходимости переводятся из верхнего положения в нижнее под действием
собственного веса и перекрывают доступ разжиженного грунта
в ячейку. Сплошные диаграммы 5 с отверстиями 6 для впуска
грунта (см. рис. 5.6, в) применяют при проходке в водонасыщенных илистых грунтах.
Проходка в пластичных глинах. Разработку забоя (см.
рис. 5.5, б) необходимо вести с тщательным креплением лба
и кровли. Грунт разрабатывают пневматическими лопатами на глубину, равную ширине кольца отделки. Кровлю
выработки крепят деревянной или стальной крепью 8, заводимой поверх кружальной арки 10 или ножевого кольца 9
щита. Лоб забоя закрепляют досками 14, устанавливаемыми вразбежку и прижимаемыми к грунту составными бру-

Рис. 5.6. Противоаварийные устройства
178

179

сьями 13, в которые упираются башмаки забойных домкратов 12, и распорками 11.
Грунт разрабатывают по всему сечению забоя одновременно во всех ячейках с выдвижных рабочих платформ с
перестановкой дощатой крепи в новое положение.
В устойчивых глинистых грунтах используют способ
частичного вдавливания ножевого кольца щита в массив,
для чего предварительно разрабатывают среднюю часть
забоя, оставляя кольцевой уступ. При передвижении щита
уступ срезается, что уменьшает затраты ручного труда на
разработку грунта.
В глинистых грунтах мягкопластичной консистенции
целесообразно оснащать головную часть щитов, особенно
малых диаметров, режущей решеткой из стальных полос.
В тугопластичных глинах, не требующих крепления, вначале разрабатывают вертикальную прорезь, которую затем
используют как направляющий лоток при расширении выработки до проектного контура.
Проходка в скальных грунтах средней крепости. Применение немеханизированных щитов в скальных грунтах носит ограниченный характер: при пересечении отдельного
скального участка небольшой протяженности, когда нецелесообразно демонтировать и вновь монтировать щит; при
проходке тоннелей на контакте скальных и неустойчивых
грунтов; при проходке в скальных трещиноватых грунтах с
малоустойчивыми обводненными пропластками, грозящими
вывалами.
Наиболее рациональным способом ведения проходки работ в таких условиях является применение буровзрывных
работ. Заходку принимают равной ширине кольца отделки.
Грунт разрабатывают одновременно по всей высоте забоя.
Если над тоннелем толща скального грунта менее 2 м, разработку забоя необходимо осуществлять последовательно
отдельными ярусами снизу вверх.
При необходимости кровлю и лоб забоя крепят деревянной затяжкой.
180

При наличии опережающей штольни проходческие работы
целесообразно вести ступенчатым забоем, когда скальный грунт
взрывают вначале в нижней части сечения выработки, а затем с
некоторой задержкой по времени — в верхней.
При проходке глухим забоем (рис. 5.7) бурение шпуров и
взрывание ведут таким образом, чтобы выброс грунта был
направлен в лотковую часть щита.
Проходка в смешанных грунтах. Способы разработки
смешанного забоя при щитовой проходке зависят от характера напластований, свойств и состояния грунтов. Наибольшую сложность при проходке представляют различные сочетания неустойчивых грунтов, особенно обводненных и
скальных.
На рис. 5.8 приведена последовательность работ при проходке станционного тоннеля в твердой глине 1, известняке 2 и пластичной глине 3. Первая фаза включает разработку твердой глины (рис. 5.8, а); вторая — разработку буровзрывным способом
известняка с подработкой пластичной глины для выдвижения
рабочих платформ (рис. 5.8, б); третья — передвижку щита с
одновременной разработкой пластичной глины с частичным ее
срезанием ножевой частью (рис. 5.8, в).
5.3. Возведение сборной тоннельной обделки
Монтаж тюбинговой обделки. Тюбинги доставляются к
механическому рычажному или кольцевому укладчику на
платформах (тюбинговозках), по рольгангу, тельфером. К
захвату укладчика тюбинги крепят с использованием болтовых отверстий в бортах или отверстий во внутреннем
ребре. Укладку начинают с нижнего тюбинга. К нему последовательно и симметрично с обеих сторон приболчивают
остальные тюбинги. При укладке очередного тюбинга его
фиксируют вначале двумя-тремя оправками, устанавливаемыми в болтовые отверстия, и деревянными прокладками и
клиньями, забиваемыми в зазор между спинкой тюбинга и
оболочкой щита. После выверки положения тюбинга оправки заменяют болтовыми соединениями с гидроизоляционны181

182
183

Рис. 5.7. Разработка плоским забоем (а) и схемы расположения шпуров в забое (б):

Рис. 5.8. Последовательность работ при проходке в смешанных грунтах

1 — механический погрузчик; 2 — контур отбитой взрывом породы; 3 — шпуры; 4 — электродетонаторы мгновенного действия; 5 — то же с замедлением на 2 с; 6 — то же с замедлением на 4 с

ми шайбами. Натяжение болтов обеспечивается пневматическим инструментом с последующим доболчиванием.
Пневматическим инструментом устанавливается ключевой
тюбинг, замыкающий кольцо.
При сборке железобетонных тюбингов натяжение болтов
должно ограничиваться по условиям прочности бортов.
К собранному кольцу при укладке предъявляются жесткие требования: допустимое отклонение размеров горизонтального и вертикального диаметров от проектного должно
составлять ±25 мм (в готовом тоннеле ±50 мм). Центр кольца может быть смещен от оси тоннеля не более чем на
50 мм. Круговые борта тюбингов должны находиться в
одной плоскости, так как при наличии уступов могут быть
поломки тюбингов. Для уменьшения эллиптичности кольца
иногда ставят стальные стяжки, которые удаляют после нагнетания раствора, придающего обделке жесткость.
Монтаж блочной обделки. Сборку кольца блочной железобетонной обделки ведут с помощью блокоукладчиков, удерживающих блоки в стабильном положении до замыкания кольца. Последовательность монтажа кольца зависит главным образом от
конструкции блокоукладчика. Универсальные укладки рычажного и кольцевого типов обеспечивают сборку как тюбинговой
чугунной, так и железобетонной блочной обделки. В этом случае укладку блоков ведут, как и при монтаже тюбингов, начиная с лоткового блока. Для закрепления блока захватом рабочего органа используют отверстие для нагнетания раствора, петлеобразные выпуски арматуры или карманы в теле блока с арматурной петлей. При укладке блоков верхней половины кольца используют выдвижные балки укладчика, упорами которых
каждый блок поджимается к оболочке щита. В радиальных стыках устанавливают монтажные шпильки. Для блоков ребристого сечения условия сборки несколько облегчаются возможностью
постановки временных болтовых связей между кольцами. К
форме собранного кольца из блоков предъявляют такие же требования, как и к тюбинговому кольцу.

184

Для сборной блочной обделки, у которой соседние кольца не связаны между собой, дополнительно нормируется
размер уступов между блоками в круговых и радиальных
швах (не более 10 мм).
При использовании дуговых, в том числе конвейерных и
кассетных укладчиков, укладка начинается с подачи блоков в свод тоннеля, а замыкание кольца производится в
лотке. Укладчики такого типа позволяют монтировать
кольца обделки с наименьшими отклонениями от проектного кругового очертания. В укладчиках с поворотными дугами и дуговых укладчиках незамкнутой сводчатой обделки сборка блоков ведется в обратном порядке: вначале по
дугам перемещают нижние блоки, затем — вышележащие.
Замковый элемент, как и в обделках, монтируемых рычажным укладчиком, устанавливается в своде последним.
Монтаж обжатых в грунт сборных блочных обделок
имеет особенности. При обжатии кольца большое внимание
уделяется распорным стыкам, в которых к торцам блоков
прикладываются довольно значительные сосредоточенные
усилия разжатия. При применении клинового блока для разжатия необходима тщательная его начальная установка,
так как даже незначительный перекос может привести к
повреждениям смежных блоков обделки. Оболочку щита в
нижней половине сечения в некоторых щитах вырезают так,
чтобы локи укладывались непосредственно на грунт.
Для всех типов сборных железобетонных обделок, применяемых при щитовой проходке, важным условием их качества сборки является обеспечение сохранности блоков при
воздействии щитовых домкратов. При высоких усилиях
передвижения щита, неравномерном давлении домкратов в
железобетонных элементах возможно образование трещин,
сколов. Для предупреждения возникновения такого рода
дефектов на щитах применяют кольца, установленные между торцом обделки и башмаками щитовых домкратов.

185

5.4. Возведение монолитноEпрессованной
бетонной тоннельной обделки
Монолитно-прессованная бетонная обделка в сравнении
со сборной железобетонной, имеет ряд положительных качеств: бесшовность, плотный контакт с окружающим грунтовым массивом, исключающим осадки земной поверхности и необходимость в нагнетании раствора за обделку, более благоприятную статическую работу, низкую стоимость
и трудоемкость возведения, возможность применения местных строительных материалов, отсутствие арматуры.
Монолитно-прессованную обделку сооружают при механизированной щитовой проходке тоннелей в несвязных и
связных грунтах естественной влажности. Конструкция
обделки и комплекс механизмов и ее технология возведения
впервые разработаны и внедрены в СССР.
Сущность возведения монолитно-прессованной бетонной
обделки поясняется рис. 5.9. В замкнутое кольцевое пространство 2, образованное стальной опалубкой 4, хвостовой оболочкой щита 1, прессующим кольцом 5 и ранее сооруженным кольцом обделки 3, нагнетается свежая бетонная смесь (рис. 5.9, а). Щит начинает продвигаться,
упираясь своими домкратами 6 в пресс-кольцо 5, которое,
перемещаясь в противоположном движению щита направлении, прессует бетонную смесь. Оболочка щита при этом
сдвигается вперед, обнажая грунт. Бетонная смесь, находясь в напряженном состоянии и будучи подвижной, выдавливается в образовавшийся кольцевой зазор и уплотняет
грунт (рис. 5.9, б). В процессе перепрессовки бетонная смесь
уплотняется с отжатием избыточной воды в грунт и в зазоры между опалубкой и пресс-кольцом, полностью заполняя
пространство, освободившееся после сдвижки оболочки
щита. Пресс-кольцо перемещается на ширину возводимого
кольца обделки (см. рис. 5.9, в). Заключительной операцией
является отвод пресс-кольца в исходное положение и наращивание опалубки.
186

Рис. 5.9. Схема возведения монолитно-прессованной бетонной
обделки

Бетонная смесь для прессования должна отвечать определенным требованиям по составу, крупности фракций,
водо-цементному отношению. Вместе с тем, трубопроводная подача бетонной смеси за опалубку накладывает свои
требования в отношении удобоперекачиваемости и удобоукладываемости.
При возведении монолитно-прессованной бетонной обделки используют опалубки различных типов: переставную,
скользящую, формующую.
Наиболее простая и распространенная переставная опалубка приводит к появлению трещин в обделке из-за возможной несоосности секции опалубки и щита. Жесткая
скользящая опалубка ограничена применением на прямых
187

участках трассы. Имеются предложения по конструкции
гибкой скользящей опалубки, способной вписываться в кривые, не повреждая при этом свежеотформованную прессованную обделку. Более перспективна формующая опалубка, которая устанавливается соосно со щитом и не оказывает поперечных нагрузок на обделку, вызывающих
образование трещин.
В устойчивых грунтах применяют схему возведения монолитно-прессованной бетонной обделки с применением
механизированного щита с роторным исполнительным органом. В этом случае оболочку щита укорачивают, и прессование бетонной смеси ведут без перепрессовки непосредственно в грунтовый массив. В устойчивых скальных грунтах для прессования бетона используют самостоятельную
прессующую установку с распорным устройством, разжимаемым в грунт по контуру выработки.
Технология возведения монолитно-прессованной бетонной обделки требует дальнейшего совершенствования, направленного на обеспечение водонепроницаемости, повышение скоростей проходки, упрощения конструкции проходческого комплекса. Перспективным
путем создания
водонепроницаемой обделки, расширяющей область ее использования, является двухслойная обделка с промежуточной гидроизоляционной оболочкой.
5.5. Нагнетание раствора за обделку
и устройство гидроизоляции
При щитовой проходке тоннелей нагнетание состоит в
заполнении раствором зазора между обделкой и грунтовым
массивом с целью предупреждения деформаций обделки и
осадок поверхности земли, включения обделки в совместную работу с грунтом. Это обеспечивает создание упругого отпора и улучшает статическую работу, стабилизацию
развития горного давления, повышение водонепроницаемости и уменьшение коррозии тоннельной обделки.
Нагнетание подразделяется на первичное и контрольное.
Первичное нагнетание ведется цементно-песчаным раство188

ром составом 1:3 для чугунной тюбинговой обделки и 1:2
для сборной железобетонной с осадкой конуса 16–20 см и
сроками начала схватывания через 3–4 ч для необводненных грунтов и 40–60 мин для обводненных. Раствор за обделку подается пневматическим растворонагнетателем периодического действия с непрерывным перемешиванием
материалов. Давление нагнетания 0,3–0,5 МПа. Могут применяться и механические растворонасосы.
Для повышения водонепроницаемости, уменьшения усадки,
увеличения подвижности раствора, регулирования сроков схватывания в нагнетаемые растворы вводят специальные добавки.
Одной из эффективных добавок является бентонитовая глина,
повышающая гидроизоляционные свойства обделки, пластичность раствора, уменьшающая расслаиваемость. Другие добавки — мылонафт, термополимер, хлористый кальций, асбест —
улучшают отдельные свойства растворов.
Перед нагнетанием зазоры между оболочкой щита и обделкой, а также швы между элементами обделки тщательно
заделывают уплотняющими материалами (стружкой, паклей, деревянными клиньями). В последнее время применяют
уплотнительное прижимное стальное кольцо в хвостовой
части оболочки щита.
Надежное уплотнение строительного зазора дает пневматическое торцовое устройство, представляющее собой камеру, закрепленную на оболочке или кольцевой обечайке,
плотно облегающей изнутри щитовую оболочку.
Цементно-песчаный раствор нагнетается в первое, выходящее из-под оболочки щита кольцо обделки. Нагнетание
производят в нижнюю часть кольца после установки блоков до горизонтального диаметра, а на втором кольце — в
его верхнюю часть. Если проходка ведется в устойчивых и
плотных грунтах с коэффициентом крепости 1,5 и выше, в
первое кольцо допускается нагнетать до горизонтального
диаметра, а во втором-третьем — на всю высоту кольца.
Нагнетание ведут, начиная с лоткового блока, а затем одновременно в два вышележащих блока и далее до замкового
189

элемента в своде. Более эффективно нагнетать раствор в
первое кольцо непосредственно в процессе передвижки щита.
При нагнетании применяют передвижные тележки (рис. 5.10),
оборудованные растворонагнетателем и устройствами для подъема контейнеров или вагонов с сухой смесью либо с раствором.
Часто песок и цемент доставляют раздельно, а сухую смесь составляют на площадке тележки. Раствор от аппарата для нагнетания поступает по гибкому шлангу, снабженному на конце соплом с уплотнительным узлом.
Контрольное нагнетание цементным раствором имеет
целью повысить водонепроницаемость обделки путем заполнения трещин от усадки и других причин в затвердевшем растворе первичного нагнетания, обеспечить плотное
соединение обделки с окружающим грунтом, улучшающее
ее статическую работу. При сборной железобетонной обделке контрольное нагнетание производится после чеканки
швов, а при чугунной тюбинговой — до чеканки. Давление
нагнетания 0,8–1,0 МПа. Контрольное нагнетание производится по всему периметру кольца обделки на расстоянии

Рис. 5.10. Тележка для нагнетания раствора за обделку:
1 — аппарат для нагнетания раствора; 2 — катушка;
3 — каретка; 4 — траверса
190

30–50 м от щита с передвижной тележки при помощи механического насоса с подачей до 1 м3/ч.
Гидроизоляция сборных тоннельных обделок состоит в
герметизации швов между элементами обделки, болтовых
отверстий и отверстий для нагнетания.
Гидроизоляционные работы в тоннеле с чугунной тюбинговой обделкой ведут в такой последовательности: проверяют гидроизоляцию болтовых отверстий, изолируют отверстия для нагнетания, чеканят швы между тюбингами.
Гидроизоляцию болтовых отверстий (см. рис. 5.9) выполняют с использованием гидроизоляционных шайб (асбобитумных или полимерных), устанавливаемых при сболчивании тюбингов. Отверстия для нагнетания очищают и изолируют постановкой пробки с гидроизоляционной асбобитумной или пластмассовой шайбой.
Гидроизоляция швов чугунной тюбинговой обделки осуществляется на расстоянии 30–50 м от щита путем заполнения чеканочных канавок гидроизоляционными материалами
с последующей их чеканкой. Укладку замазки и чеканку
швов ведут в два-три слоя толщиной по 2 см участками
длиной по 3–4 м. Гидроизоляционные работы ведут с чеканочной тележки.
При большом гидростатическом давлении для чеканки швов
применяют свинцовую проволоку или освинцованный шнур.
Стыки проволоки или шнура выполняют внахлестку. После чеканки шнура через 8–24 ч поверх свинца укладывают замазку
из водонепроницаемого расширяющегося цемента (ВРЦ) или
быстротвердеющего уплотняющего состава (БУС).
Гидроизоляцию сборных железобетонных обделок осуществляют аналогично чугунной обделке с некоторыми отклонениями в технологии работ. В частности, вначале чеканят швы обделки, а затем изолируют отверстия для нагнетания и болтовые отверстия.
При гидростатическом давлении не более 0,05 МПа могут применяться аэрированные растворы с заменой ВРЦ и
БУС обычными видами портландцемента. Болтовые отвер191

5.6. Комплексная механизация
при щитовой проходке
Достижения высоких технико-экономических показателей при щитовой проходке тоннелей требуют выполнения
ряда условий: максимальной механизации проходческих
работ, поточной организации процессов при непрерывности
последовательно выполняемых операций, оптимального совмещения отдельных видов работ в проходческом цикле.
Для обеспечения полного использования технической производительности щита необходимо сформировать за щитом
как головным агрегатом технологический комплекс оборудования.
Первая схема. Сооружение перегонного тоннеля метрополитена немеханизированным щитом с рельсовым транспортом. В технологический комплекс (рис. 5.11) за немеханизированным щитом 1 входит автономная породопогрузочная
машина 2, укладчик 3 тоннельной отделки; тележка для
нагнетания 5 цементно-песчаного раствора за отделку, оборудованная растворонагнетателем 6, монорельсом 8 с кареткой и траверсой для подъема вагонеток с сухой смесью,
троллейным барабаном 7; технологическая платформа 9 с
центральной стрелкой; тележка 10 для чеканки швов с насосом 11 контрольного нагнетания; вагонетки 4 для электровозной откатки.

192

Рис. 5.11. Проходческий комплекс за немеханизированным щитом при рельсовом транспорте

стия с постоянными болтами изолируют постановкой гидроизоляционных шайб. Болтовые отверстия без болтовых
соединений и отверстия для нагнетания изолируют чеканкой их ВРЦ и БУС. В целях обеспечения водонепроницаемости железобетонной сборной обделки после чеканки швов и
отверстий в блоках выполняют нагнетание в стыках в месте пересечения швов через пробуренные скважины. Нагнетание ведут через инъектор чистым цементным раствором
под давлением 0,3–0,4 МПа. Отверстия в крестообразных
стыках затем зачеканивают.

193

194

Рис. 5.12. Проходческий комплекс для сооружения монолитно-прессованной обделки

Вторая схема. Сооружение перегонного тоннеля щитом с
горизонтальными площадками при возведении монолитнопрессованной бетонной обделки. Проходческий комплекс
(рис. 5.12) включает механизированный щит с щитовыми
домкратами 19 и хвостовой оболочкой 17, в которой помещается прессующее кольцо 2 с входным патрубком 16 и
гидродомкратом 18 для очистки выпускного канала от бетонной смеси; переставную шарнирно-складывающуюся секционную опалубку 5, секции которой состоят из двух звеньев — верхнего 14 и нижнего 15; перестановщик 8 опалубки,
перемещающийся по транспортному мосту 7; основной 3 и
перегружающий 10 транспортеры с бункером 13; систему
подачи бетонной смеси с ресивером 12, пневмобетоноподатчиком 11, бетоноводом 6; насосную станцию 9; электровоз с
нерасцепленным составом вагонеток. Комплекс предназначен для сооружения монолитно-прессованной бетонной обделки 4 в неустойчивых и слабоустойчивых грунтах естественной влажности и обеспечивает проходку тоннелей со
скоростью 4–5 м/сут.
Третья схема. Сооружение перегонного тоннеля механизированным щитом с дисковым роторным исполнительным органом.
За щитом 1 (рис. 5.13) расположен укладчик обделки 2 с выдвижными балками и распорными устройствами. Разработанный
грунт выдается из щита скребковым транспортером 3 с перегрузкой на ленточный тоннельный транспортер 4, который загружает бункер 5, откуда грунт попадает в вагонетки 8 нерасцепленного состава. Бункер опирается на тележку 7 для нагнетания раствора за обделку, на которой размещена шахтная понизительная подстанция 6. Блоки доставляются на платформах
10 и перегружателем 9 подаются на рольганг 11, а затем — под
захват кольцевого укладчика. Распорные устройства укладчика комплекса позволяют обжимать блочную железобетонную
обделку в грунт с устройством распорных стыков на уровне
горизонтального диаметра.
Четвертая схема. Сооружение перегонного тоннеля механизированным щитом с лучевым роторным исполнительным

195

Рис. 5.13. Проходческий комплекс за шитом с дисковым роторным исполнительным органом
196

органом. Проходческий комплекс КТ1-5,6 (рис. 5.14) включает механизированный щит 1, конвейерный укладчик блоков 3, расположенный на транспортном мосту 4, соединенном со щитом шарнирным узлом 2 и опирающемся хвостовой частью на тележку 5. Внутри транспортного моста
проходит ленточный транспортер, загружающий грунт через бункер в вагонетки 7. Рельсовый путь под мостом уложен на передвижную технологическую платформу 8. Блоки,
доставляемые к комплексу на платформах, тельфером 9
подаются к укладчику. Растворонагнетатель 10 установлен на платформе 8 и загружается сухой смесью при помощи транспортера 11. В конце транспортного моста закреплены троллейные барабаны 6. Механизированный щит и
комплекс рассчитаны на работу в условиях плотных устойчивых кембрийских глин и обеспечивают средние скорости
проходки 15 м/сут при рекордных 40 м/сут.
Пятая схема. Сооружение перегонного тоннеля механизированным щитом с экскаваторным органом. В состав комплекса
(рис. 5. 15) входит механизированный щит 1 с удлиненным корпусом для размещения экскаваторного органа 2. В нижней части корпуса щита расположены щитовой транспортер 12 и погрузочная машина с подгребающим органом 13. В неустойчивых песчаных грунтах в головной части щита монтируется система горизонтальных площадок 14. От щитового транспортера разработанный грунт попадает на промежуточный 3, отодвигаемый по наклонной плоскости вверх при сборке блочной
железобетонной обделки. С промежуточного транспортера
грунт перегружается на подвижной тоннельный транспортер
5, опирающийся на тележки 6, и затем в бункер 9. Из бункера
грунт загружается в вагонетки 10 нерасцепленного состава.
За щитом располагается рычажный укладчик 4, к которому
прицеплены технологические платформы 11. На тележке 7 размещен аппарат 8 для нагнетания раствора за обделку. Проходческий комплекс КМ-42 М1 длиной 33,3 м создан для сооружения тоннелей в смешанных скальных грунтах — от неустойчивых песчаных до устойчивых твердых глин.
197

Рис. 5.15. Проходческий комплекс за щитом с экскаваторным органом

Рис. 5.14. Проходческий комплекс за шитом с лучевым роторным исполнительным органом
198

Шестая схема. Сооружение перегонного тоннеля механизированным щитом со стреловым фрезерным органом. Щит
со стреловым органом рационален при проходе в смешанных грунтах, когда требуется избирательная разработка
забоя с разными режимами резания. Проходческий комплекс
(рис. 5.16) состоит из щита 1, блокоукладчика 2 двухрычажного типа, транспортного моста 3, внутри которого
расположен ленточный транспортер, вспомогательных тележек для электрооборудования 4 и размещения кабеля 5,
электровоза 6 с вагонетками 8, технологических платформ
7, тельфера 9 для перегрузки блоков, транспортера 10 для
загрузки растворонагнетателя 11. Комплекс может сооружать тоннель как с чугунной, так и с железобетонной сборной обделкой (обжатой и необжатой в грунт). Средние скорости проходки составляют 6–8 м/сут.
Седьмая схема. Сооружение тоннеля диаметром 4,5 м в
крепких скальных грунтах щитом с роторным исполнительным органом, оснащенным шарошками. Комплекс предназначен для проходки тоннельных выработок в крепких скальных грунтах с f = 10÷12 при пересечении отдельных зон
тектонических разломов. В комплекс (рис. 5.17) входит следующее проходческое оборудование: двухсекционный телескопический щит 1 с роторным исполнительным органом,
блокоукладчик 2 с двумя стреловыми рабочими органами,
вспомогательные тележки 5 на колесном ходу, технологическая платформа 3, перегрузочный транспорт 4, электрооборудование 6, вагонетки, система вентиляции и пылеподавления 7, кабельная тележка 8. Комплекс оснащен перфораторами для бурения шпуров под анкеры и набрызгбетонной
машиной для проходки с креплением кровли и стен выработки
набрызгбетоном. Проектные скорости проходки составляли
300–500 м/мес, достигнутая — 260 м/мес.
5.7. Эректорная проходка
В грунтах, обеспечивающих устойчивость забоя выработки на полное сечение без его обрушения и вывалов, при199

200
201

Рис. 5.17. Проходческий комплекс для сооружения тоннелей в крепких скальных грунтах

Рис. 5.16. Проходческий комплекс за шитом со стреловым фрезерным органом

Рис. 5.18. Комплекс оборудования при бесщитовой проходке

меняют бесщитовой способ сооружения тоннеля с помощью
укладчика сборной обделки.
Примером служит схема проходки станционного тоннеля
(рис. 5.18). Разработка забоя с установкой ограждающей
временной крепи ведется на все сечение на заходку, равную
ширине кольца обделки. С рабочих платформ тюбингоукладчика 1 ведут работы по оборке профиля, креплению
кровли деревянной затяжкой по кронштейнам, приболченным к бортам тюбингов, креплению лба забоя досками
вразбежку с использованием телескопических труб и рабочих платформ, разметке, бурению и заряжанию шпуров.
Взорванный грунт убирают породопогрузочной машиной 3,
находящейся на передвижной платформе 5, непосредственно
в вагонетки или на транспортер-перегружатель 4 с бункером 6. Тюбингоукладчик передвигают, и монтируют очередное кольцо обделки. Нагнетание раствора за обделку
осуществляют растворонагнетателем 2, установленным на
укладчике. Контрольное нагнетание и чеканку швов выполняют с площадок вспомогательной тележки 7, на которой
расположен растворонасос 8.
Схема сооружения перегонного тоннеля бесщитовым способом принципиально не отличается от сооружения станционного тоннеля.
С целью исключить тяжелый ручной труд при бурении
шпуров для бесщитовой проходки разработан комплекс
оборудования, состоящий из рычажного блокоукладчика,
тележки для нагнетания с растворонагнетателем, самоходной двухстреловой бурильной установки, технологической
платформы шагающего типа, прицепной технологической
платформы.
5.8. Проходка тоннелей способом
продавливания
Способ продавливания применяют для постройки тоннелей различного назначения под действующими железными и
автомобильными дорогами, подземными коммуникациями
202

203

без нарушения их эксплуатации. В этом главное преимущество способа, достигаемое устранением деформаций и осадок грунтового массива в результате полного совпадения
размеров поперечных сечений выработки и тоннельной обделки.
Принципиальная схема продавливания (рис. 5.19) отличается тем, что по мере разработки забоя тоннельная обделка
2, оснащенная головной ножевой секцией 1, целиком продвигается вперед через проем 3 при помощи гидравлических
домкратов 5, размещенных в котловане и опирающихся на
стену 7. Сборка кольца 4 обделки вынесена из призабойной
зоны в открытый котлован 6.
Форма поперечного сечения продавливаемых тоннелей
чаще всего круговая или прямоугольная. Площадь сечения
достигает 90 м2. Протяженность участков продавливания
составляет от 5–20 до 100–120 м. С уменьшением площади
поперечного сечения плечо продавливания возрастает. До
последнего времени использование способа было ограничено прямыми участками продавливания. Сейчас уже решена
сложная задача продавливания тоннелей на криволинейных
участках трассы с помощью передвижных промежуточных
домкратных установок.

Рис. 5.19. Проходка тоннеля способом продавливания
204

Конструкции продавливаемых обделок принимают стандартной (например, из чугунных тюбингов перегонного
тоннеля) или проектируют специально преимущественно в
виде замкнутых железобетонных секций длиной 1–4 м.
Осложняют работы по продавливанию произвольное отклонение тоннеля от проектного направления и быстро увеличивающиеся сопротивления по наружной поверхности обделки.
Для обеспечения точного направления продавливания
используют одностороннюю подработку забоя, ножевую
секцию оснащают выдвижными элеронами или поворотными плитами, применяют ножевую секцию по типу проходческого щита, способную независимо продвигаться на заходку, отталкиваясь от обделки.
Сопротивления трения грунта по обделке сильно ограничивают длину участка продавливания. Сопротивления можно снизить разными методами: нагнетанием за обделку антифрикционных составов (суспензии бентонитовой глины и
др.), нанесением на внешнюю поверхность специальных покрытий (например, эпоксидной смолы), размещением между
грунтом и обделкой стальных лент, заменяющих трение
пары грунт — бетон парой сталь — сталь. Наиболее радикальное средство заключается в применении одной или нескольких промежуточных домкратных установок, последовательно монтируемых в составе обделки (рис. 5.20).
В отечественной практике метростроения освоен современный агрегат для продавливания перегонных тоннелей с чугунной тюбинговой обделкой внешним диаметром 6 м. Ножевая
секция с элеронами снабжена двумя основными и тремя вспомогательными горизонтальными перегородками, а также тремя
вертикальными перегородками. Домкратная установка имеет
кольцевую металлоконструкцию, в которой размещены 30 щитовых перегонных домкратов, развивающих суммарное усилие
30 000 кН, рассчитанное на продавливание участка тоннелей
длиной 30 м. При продавливании тоннелей с обделками из железобетонных элементов стремятся к их максимальному укрупне205

1 — обделка тоннеля; 2 — промежуточная установка в котловане;
3 — основная продавливающая установка; 4 — очередное кольцо
обделки; 5 — продавливающая установка в тоннеле; 6 — продавливаемое кольцо обделки

нию. Так, например, при сооружении двухполосного автодорожного тоннеля под железнодорожными путями (рис. 5.21) были
изготовлены две крупногабаритные секции 1 и 2 на железобетонных плитах 6, закрепленных анкерами 5 и шпунтовой стенкой 3. После продавливания стык 4 между секциями бетонировали по месту.
206

Рис. 5.21. Схема встречного продавливания секций автодорожного тоннеля

Рис. 5.20 Проходка с промежуточной продавливающей установкой:

207

Контрольные вопросы
1. Каковы особенности технологии щитовой проходки в неустойчивых грунтах?
2. Как монтируют сборную тоннельную обделку?
3. Как возводят монолитно-прессованную бетонную обделку тоннелей?
4. В каких геологических и гидрогеологических условиях применяют щитовую проходку под сжатым воздухом?
5. Чем отличается способ продавливания от щитового способа
проходки тоннелей?

208

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тоннели и метрополитены. Учебник для вузов. В.Т. Храпов,
Е.А. Демешко, С.Н. Наумов/Под ред. В.Г. Храпова. — М.: Транспорт, 1989. — 383 с.
2. М ю р е н н ы й Я.И. Тоннели с обделкой из монолитнопресованного бетона. — М.: Транспорт, 1985. — 270 с.
3. К л о р и к р я н В.Х., Х о д а ш В.А. Горнопроходческие щиты и
комплексы. — М.: Недра, 1977. — 326 с.
4. Тоннели и метрополитены. Волков В.П., Храпов В.Т. и др. —
М.: Транспорт, 1975. — 552 с.
5. ЕНиР 36-2. — М.: Стройиздат, 1987.

209

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 1. Конструкция сборных обделок
кругового очертания ................................................................ 3
1.1. Щитовой и специальный способы работ ................ 3
1.2. Особенности сборных тоннельных обделок ......... 10
1.3. Металлические тоннельные обделки ...................... 12
1.4. Железобетонные тоннельные обделки ................... 21
1.5. Предварительно обжимаемые сборные обделки ......... 43
1.6. Обеспечение водонепроницаемости обделок
из сборного железобетона ....................................... 55
Глава 2. Расчет тоннельных обделок
кругового очертания ............................................................ 59
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.

Определение нагрузок .............................................. 59
Стадии работы тоннельной обделки ..................... 65
Обделки со связями растяжения в стыках ............ 70
Обделки без связей растяжения в стыках ............. 79
Особенности расчета сейсмостойких
обделок и обделок, обжатых в грунт ................... 92

Глава 3. Немеханизированные проходческие щиты ......... 99
3.1. Типы щитов и их основные части ......................... 99
3.2. Проходческие щиты средних, больших
и малых диаметров ................................................ 100
3.3. Полущиты и щиты сложного очертания ............ 106
3.4. Гидравлическое оборудование щитов ................. 107
3.5. Основы расчета щитов ............................................ 110

4.2. Механизированные щиты и специальные
щитовые агрегаты для проходки
в неустойчивых грунтах ........................................
4.3. Механизированные щиты для проходки
в нескальных грунтах ............................................
4.4. Механизированные щиты и тоннелепроходческие
машины для проходки в скальных грунтах .........
4.5. Определение основных параметров
механизированных щитов .....................................
4.6. Типы укладчиков сборных обделок ....................
4.7. Рычажные и кольцевые укладчики .......................
4.8. Дуговые и стреловые укладчики ..........................

123
133
144
152
155
157
165

Глава 5. Сооружение тоннелей щитовым способом ....... 171
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
5.7.
5.8.

Подготовительные работы ...................................... 171
Работы в забое немеханизированного щита .......... 176
Возведение сборной тоннельной обделки ........... 181
Возведение монолитно-прессованной
бетонной тоннельной обделки ............................. 186
Нагнетание раствора за обделку
и устройство гидроизоляции ................................ 188
Комплексная механизация при щитовой
проходке ................................................................... 192
Эректорная проходка ............................................. 199
Проходка тоннелей способом
продавливания ......................................................... 202

Список литературы .............................................................. 208

Глава 4. Механизированные щиты,
тоннелепроходческие машины и оборудование
для сборки обделок ............................................................. 120
4.1. Классификация механизированных щитов ......... 120

210

211

Филиппов Иван Иванович

ТОННЕЛИ, СООРУЖАЕМЫЕ ЩИТОВЫМ
И СПЕЦИАЛЬНЫМИ СПОСОБАМИ
Учебное пособие

Редактор Е.А. Ямщикова
Компьютерная верстка Н.Ф. Цыганова

Тип. зак.
Подписано в печать
Усл. печ. л. 13,25

Изд. зак. 96
Гарнитура Times.

Тираж 500 экз.
Офсет
Формат 60×901/16

Издательский центр РГОТУПСа,
125993, Москва, Часовая ул., 22/2
Типография РГОТУПСа, 107078, Москва, Басманный пер., 6
212