Новый австрийский метод прокладки тоннелей (NATM): Проектирование и эксплуатация

Новый австрийский метод прокладки тоннелей (NATM), также известный как метод последовательной выемки грунта, получил признание во время прокладки тоннелей в австрийских Альпах. Этот метод оказался очень полезным в сложных и разнообразных геологических условиях, когда прогнозирование горной массы затруднено из-за быстро меняющейся геологии.

NATM – это не просто метод строительства для выполнения проходческих работ, но и подход к упорядоченной последовательности необходимых строительных работ, где основными элементами являются безопасность, надежность и экономичность. Универсальность в эксплуатации и строительных работах является основным преимуществом технологии NATM, поскольку она может использоваться для твердых пород, мягких пород и смешанных грунтов.

Новый австрийский метод прокладки тоннелей в гипербарической атмосфере, Лондон

Прежде чем применять NATM для любых строительных работ, крайне важно понять геологию и геотехнические условия грунта. После этого разрабатываются различные проектные параметры для бесперебойной проходки тоннелей с использованием NATM. Характерные особенности, критерии проектирования и общая последовательность строительства тоннелей с использованием NATM были рассмотрены в этой статье.

3. Общая последовательность строительства тоннеля с использованием NATM

• 3.1 Разметка буровых отверстий
• 3.2 Бурение скважин
• 3.3 Зарядка взрывчатых веществ
• 3.4 Заряжание и взрывные работы
• 3.5 Навозная жижа
• 3.6 Установка первичной опоры
• 3.7 Устройство для предотвращения попадания воды
• 3.8 Вторичная опора
• 3.9 Окончательная облицовка

Вопросы и ответы

1. Характерные особенности и философия NATM

NATM – это скорее философия, чем метод строительства, и он основан на определенных принципах, упомянутых ниже:

Окружающий массив породы является основной несущей конструкцией. Поэтому его несущая способность должна поддерживаться без разрушения скального массива.

Фундаментальная прочность грунта или породы вокруг области тоннеля должна поддерживаться и мобилизовываться в оптимальной степени.

Мобилизация может быть достигнута путем регулирования деформации грунта. Однако экстремальная деформация может привести к потере прочности и большим поверхностным осадкам. Такие условия должны быть предотвращены.

Сразу после выемки грунта в течение времени отстоя должна быть предусмотрена предварительная группа поддержки. Как правило, предварительная группа опор включает скальные болты и тонкую полуэластичную торкрет-бетонную облицовку. Постоянные опоры устанавливаются на более поздней стадии.

Торкрет-обделка должна быть тонкостенной. Если необходима дополнительная поддержка, то вместо утолщения торкретбетонной обделки следует использовать сетчатую крепь, ребра тоннеля и анкеры.

Продолжительность безопорного периода должна быть как можно меньше.

После установки первичной опоры необходимо следить за деформацией опоры и грунта.

Те, кто связан с процессом выполнения и мониторинга подхода NATM, должны понимать и принимать подход NATM и совместно решать любые вопросы.

2. Критерии проектирования и особенности NATM

Концепцию подходящего подхода к проектированию NATM можно разделить на две основные группы.

Первая группа включает в себя технические требования NATM с применением на мягком или твердом грунте.

Вторая группа включает внешние ограничения, такие как проблемы заселения, воздействие на окружающую среду, безопасность, инженерные технологии, а также контрактные и финансовые ограничения.

Общие конструктивные особенности NATM

Ниже подробно рассматриваются необходимые элементы для проектирования NATM. Каждый из элементов является частью всей процедуры проектирования. Если конструкция этих элементов не интегрирована друг с другом, то полная конструкция NATM, скорее всего, не будет работать.

2.1 Критерии проектирования, связанные с техническими требованиями

Технические критерии проектирования NATM включают в себя понимание геологии и геотехнических функций грунта, а также проектирование системы поддержки и мониторинга. Эти критерии формируют внутренний каркас прокладки тоннелей с использованием NATM и рассматриваются ниже:

2.1.1 Проектирование первичной и окончательной крепи

Проектирование первичной опоры (торкретбетон, скальные болты и т.д.) и конечной опоры являются основными компонентами технического проекта NATM. При проектировании опор следует учитывать гибкость и толщину первичной крепи с добавлением стальной фибровой арматуры, скальных болтов и форполирования. Аналогичным образом, при проектировании конечных опор в качестве основного критерия следует принимать деформацию таким образом, чтобы деформация по периферии тоннеля сводилась к нулю.

В целом, при проектировании первичных и конечных опор необходимо учитывать следующие моменты:

Характеристики грунта, такие как прочность и время выдержки, должны быть тщательно изучены.

Кривая взаимодействия грунта с опорой должна быть определена на основе характеристик грунта.

Необходимо учитывать детальное проектирование для грунтовых вод. Например, детальное проектирование включает в себя проектирование дренажной и водозащитной системы.

Если рассматривается дренажная система, то следует определить долгосрочную стабильность дренажных отверстий.

Если рассматривается водонепроницаемая мембрана, то при проектировании необходимо учитывать давление воды для расчета нагрузок на облицовку.

Для повышения прочности торкрет-бетона следует использовать дополнительные опоры, такие как каменные болты, решетчатые балки, стальная сетка и стальная фибра.

Необходимо проводить постоянный мониторинг напряжений и деформаций в обделке.

Первоначальное проектирование предварительной облицовки может быть выполнено с использованием эмпирических и вычислительных подходов, а также физических моделей.

Вторичная обделка обычно представляет собой сегмент из сборного бетона.

2.1.2 Требования к геотехническому проектированию

Согласно основному принципу NATM, окружающее тело проема является основной несущей конструкцией. Поэтому для оптимизации несущей способности среды должна быть установлена характерная кривая реакции грунтовой опоры. Для проектирования кривой реакции грунтовой опоры необходимо знать геотехнические свойства несущей среды.

В целом, при проектировании кривой реакции грунтовой опоры необходимо учитывать следующие моменты:

Прочность грунта, т.е. прочность на растяжение, сдвиг и сжатие

Время выдержки

состояние поровой воды и дренажа

Однородность и нелинейность грунта

Зависимость от времени или поведение ползучести

Основные разрывы в швах

Давление грунта в состоянии покоя

Величина давления вскрышных пород

В дополнение к кривой опоры на грунт, должны быть выбраны соответствующие параметры геотехнического проектирования для выполнения аналитического или расчетного предварительного проектирования схем и геометрии котлована.

2.1.3 Система мониторинга

Проектирование системы мониторинга необходимо для получения информации о деформации грунта и опор после проходки тоннеля. В частности, существуют две основные цели системы мониторинга: мониторинг проектирования и мониторинг строительства. Вкратце, мониторинг должен осуществляться для того, чтобы убедиться в безопасности проектирования и строительства. Таким образом, оценка и анализ данных должны проводиться специалистами по геологии/геотехнике, проектировщиками тоннелей и руководителями строительства.

2.2 Критерии проектирования, связанные с внешними ограничениями

Применение NATM в мягких грунтах, к сожалению, может привести к обрушению тоннеля. В результате может быть повреждена окружающая конструкция. Это также может вызвать экологический эффект в виде образования карстовых воронок в городах. Поэтому при проектировании НАТМ необходимо предусмотреть определенные внешние ограничения, чтобы избежать подобных ситуаций. Эти критерии формируют внешний каркас проходки тоннелей с использованием НАТМ и рассматриваются ниже.

2.2.1 Технология проектирования

Следует рассмотреть технологические усовершенствования проходческих устройств, чтобы использовать их преимущества. Новые технологические разработки должны использоваться для улучшения процедуры строительства тоннеля. Поэтому необходимо провести сравнение между предыдущими и новыми инновациями, чтобы выбрать лучшую из них.

2.2.2 Безопасность тоннеля

Проходка туннеля – это часть туннеля, которая выкапывается перед готовым забоем туннеля. Большинство аварий происходит во время проходки этой части туннеля. Поэтому для защиты тех, кто работает в тоннеле и в сооружениях над тоннелем, устойчивость забоя должна поддерживаться с помощью дополнительных опор, таких как передние столбы, дренажные трубы, скальные болты и т.д.

2.2.3 Процедуры контроля оседания грунта

Оседание грунта в результате проходки тоннеля следует регулировать путем соответствующего строительства проходки, подкрепления существующих сооружений и компенсирующей цементации для снижения угрозы повреждения сооружений на поверхности.

3. Общая последовательность строительства тоннеля с использованием NATM

NATM – это подход, который включает в себя различные строительные работы, выполняемые в надлежащей последовательности с учетом гибкости и адаптивности. Последовательность этих работ рассматривается ниже:

3.1 Разметка буровых отверстий

Буровые скважины размечаются на лицевой стороне тоннеля на основе схемы взрывных работ. Для разработки схемы бурения необходимы следующие требования:

Диаметр тоннеля

Грунтовые условия

Свойства породы, такие как прерывистость, набор швов и т.д.

Разметка отверстий

3.2 Бурение отверстий

В мягких породах для бурения отверстий используется ручной экскаватор. Для твердых пластов для бурения отверстий используются бурильные машины.

Ручная экскаваторная машина для бурения отверстий

3.3 Зарядка взрывчатыми веществами

Взрывчатые вещества помещаются в пробуренные отверстия и подключаются к детонаторам, которые соединены с одной главной связью.

---

Засыпка динамитов внутрь взрывных отверстий

3.4 Заряжание и взрывные работы

Взорвано основное соединение, к которому подключены все детонаторы, что последовательно обеспечивает взрыв каждого взрывчатого вещества, размещенного в каждом просверленном отверстии.

3.5 Натравливание

Процесс намыва начинается после полного удаления пыли и вредных газов с помощью надлежащей вентиляции. В ходе этого процесса удаляется весь сломанный материал и мусор вокруг забоя тоннеля.

Удаление сломанного материала с забоя туннеля

3.6 Установка первичной опоры

Время выдержки – это период, в течение которого незакрепленный грунт остается стабильным после взрывных работ или ручной выемки грунта. Установка первичной опоры должна быть выполнена в течение времени выдержки. В основном в качестве первичной опоры используются торкрет-бетон и каменные болты.

Торкретирование в качестве первичной опоры
Скальные болты в качестве первичной опоры

3.7 Устройство для предотвращения проникновения воды

Попадание воды внутрь туннеля является серьезной проблемой, так как это может привести к разрушению конструкции. Для предотвращения таких ситуаций после установки первичной крепи используется гидроизоляционная мембрана. Полоса Dimplex и Nyllex являются наиболее часто используемыми гидроизоляционными мембранами при строительстве тоннелей.

Гидроизоляционная мембрана

3.8 Вторичная опора

Если пласты нуждаются в дополнительной поддержке для обеспечения устойчивости конструкции, опоры могут быть выполнены в виде решетчатых балок, стальных ребер, еще одного слоя торкрет-бетона и т.д.

Установка решетчатой балки

3.9 Окончательная облицовка

Наконец, сборные бетонные сегменты устанавливаются в качестве обделки по периферии тоннеля. Такие сборные сегменты известны как кикерные балки.

Сегмент из сборного бетона
Установка обделки на периферии тоннеля

Часто задаваемые вопросы

Что такое новый австрийский метод проходки тоннелей (NATM)?

NATM – это не просто метод строительства для выполнения проходческих работ, но и подход к упорядоченной последовательности необходимых строительных работ, где основными элементами являются безопасность, надежность и экономичность.

В каких ситуациях NATM предпочтительнее машин TBM?

Ниже перечислены некоторые обстоятельства, в которых NATM предпочтительнее машин TBM:
1. Если геология грунта чрезвычайно изменчива, в таких случаях подход может быть изменен в соответствии с изменениями в геологии.
2. NATM – это универсальная технология. Она может быть использована для строительства различных профилей туннелей. Это может быть достигнуто путем изменения схемы взрывных работ в соответствии с геометрией тоннеля.
3. Установка ТБМ часто затруднена из-за перегруженности и недостатка места на стройплощадке. В таких случаях в качестве метода прокладки тоннеля предпочтительнее использовать NATM.

Какие проблемы возникают при использовании технологии NATM в мягких грунтах?

Применение НАТМ в мягком грунте, а именно в почве, началось относительно недавно. Ниже перечислены основные проблемы использования NATM в мягком грунте:
1. Время выдержки мягкого грунта невелико, поскольку связь между частицами грунта слабая, а когезия также ниже, чем у скальных пород.
2. В основном, в приповерхностной области мягкого грунта напряжение на месте будет относительно низким. Поэтому грунт будет достаточно слабым, чтобы выдержать перераспределенные нагрузки.
3. Кроме того, устойчивость забоя выработки очень низкая из-за более низкой прочности опоры окружающей несущей конструкции.

Провалы в тоннелях – причины и способы устранения [PDF]

Каково наилучшее применение гидроизоляции и материалов при строительстве тоннелей или даже зданий под землей?

Тоннелестроение – особенности, преимущества и методы прокладки тоннелей в строительстве

Читайте далее:

• Туннель Атал Рохтанг: Строительство самого длинного в мире автодорожного тоннеля на высоте 10 000 футов.
• Тоннель под Ла-Маншем: Строительство самого длинного в мире подводного тоннеля.
• Готардский базовый тоннель: Особенности строительства самого длинного в мире тоннеля.
• Тоннель Ченани-Нашри: Самый длинный в Индии двунаправленный автодорожный тоннель.
• Вентиляция в тоннелях – Типы вентиляционных систем при строительстве тоннелей.
• Тоннелестроение – особенности, преимущества и методы прокладки тоннелей в строительстве.
• Дробеструйный бетон или торкретбетон или гунит – свойства, материалы, применение.