ВОЗВЕДЕНИЕ ТОННЕЛЯ БОЛЬШОГО СЕЧЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ СПЕЦИАЛЬНЫХ СПОСОБОВ КРЕПЛЕНИЯ ЛБА ЗАБОЯ ВЕРХНЕГО УСТУПА

В настоящее время большое внимание уделяется вопросам реконструкции и модернизации гидроузла на Майнской ГЭС, которые предполагают повышение надёжности станции с увеличением её мощности, повышение уровня безопасности, а также строительство берегового водосброса и модернизацию гидроагрегатов станции.

Основным и очень важным этапом работ, как раз считается строительство берегового водосброса с двумя напорными тоннелями, которые планируют проложить на территории Хакасии на левом берегу и тем самым повысить пропускную способность Майнского гидроузла.

Майнский гидроузел расположен на юге Республики Хакасия, в верховьях р. Енисей, в 22,1 км ниже створа Саяно-Шушенской ГЭС. образуя единый Саяно-Шушенский гидроэнергетический комплекс на р. Енисей.

Данный гидроузел является контррегулятором Саяно-Шушенской ГЭС и предназначен для сглаживания колебаний расходов и уровней Саяно-Шушенской ГЭС, для полного использования ее энергетических возможностей, а также позволяет в значительной мере снизить отрицательное влияние на окружающую среду, вызванное изменением водного режима р. Енисей на участке п. Майна – г. Минусинск, создает удовлетворительные условия для неэнергетических водопользователей и является энергетическим источником для ОЭС Сибири (рисунок 1).

Рисунок 1. Территория строительства

Тоннели № 1 и № 2 длиной 652,0 и 564,0 м, проходятся в пределах левобережного склона долины р. Енисея с верхнего бьефа Майнского гидроузла в нижний. Расстояние между осями тоннелей составляет 42,0 м. Отметки заложения тоннеля переменные - 303,0-295,0 м.

На участке расположения тоннелей максимальные отметки дневной поверхности составляют 404,00-425,00 м, максимальная глубина заложения тоннелей 104-125 м. Глубина заложения входных оголовков тоннелей около 50 м, выходных – 20-25 м.

Тоннели проходятся в скальных породах, представленных кристаллическими нижнекембрийскими сланцами чингинской серии. Кристаллические сланцы хлорит-серицит-кварцевые, серицит-карбонат-кварцевые, хлорит-карбонат-кварцевые, серицит-карбонат-кварц-углистые, местами графитизированные, от зеленовато-серых до серых и черных (за счет углистости). Порода средне- и сильнотрещиноватая, средней прочности, местами малопрочная.

В массиве отмечается наличие тектонических нарушений различных порядков, о чем свидетельствуют большое количество зеркал скольжения по плоскостям трещин. Зеркала скольжения нечеткие, поэтому определить направление подвижек по ним не представляется возможным. Тектонические трещины заполнены глинисто-слюдистым материалом («глинкой» трения).

Потребности строительства левобережного водосброса в местных естественных строительных материалах удовлетворяется за счет полезных выемок, и лишь для отсыпки перемычек требуется 127,3 тыс. м³ песчано-гравийного грунта, который предполагается закупать с месторождения «Мелкоозерское». Лицензия на право пользования недрами (общераспространенные полезные ископаемые) принадлежит ОАО «Холдинговая компания «Красноярсктэсстрой». Мелкоозерский карьер песчано-гравийного материала расположен в Бейском районе Республики Хакасия в 10 км северо-западнее г. Саяногорска.

Забор воды производится из залива в устье р. Уй. Так как пропускная способность отверстий под существующим мостом через перешеек у входа в залив недостаточна, предусмотрена разборка грунтовой насыпи, по которой проходит автомобильная дорога «Саяногорск-Черёмушки».

Автодорога переносится на берег в обход залива со строительством нового моста через р. Уй. При этом дорога проходит за входным оголовком сооружения.

За оголовком, расположенном на берегу залива, водоводы уходят в скальный массив, а после выхода из него за автодорогой «Саяногорск-Черёмушки», не затрагивая ее, переходят в напорные железобетонные водоводы.

Водопропускное сооружение, осуществляющее регулирование в водопроводящем тракте, расположено таким образом, чтобы при максимальном удалении от дорог и сооружений действующей ГЭС обеспечить допустимый скоростной режим на выходе из отводящего канала.

Подводящий канал прокладывается через существующую грунтовую насыпь с автомобильной дорогой в зоне подхода воды из водохранилища для обеспечения беспрепятственного поступления воды в водоприёмник. Имеет ширину по дну от 72 до 200 м и отметку дна 312,00 м.

Канал прокладывается в мягких грунтах до скального «целика», под защитой которого возводится входной оголовок.

Откосы канала с уклоном 1:2 высотой до 18 м укрепляются каменной наброской из полезных выемок толщиной 0,4 м в зоне пересечения с грунтовой насыпью.

За «целиком» разрабатывается участок углубления подводящего канала к входному оголовку до отм. 305,00 м. Для создания дна с уклоном 1:4 производится бетонирование участка до перемычки бетоном.

Участок подводящего канала, прорезающий скальный «целик», организуется при полностью готовых сооружениях входного оголовка. Выемка скальных и мягких грунтов из-под воды осуществляется на ширине 72 м по дну и 120 м по отм. 325,50 м с уклоном откосов 1:1 в скальном грунте и 1:2 в мягких. Откосы укрепляются каменной наброской толщиной 0,4 м из полезных выемок в зоне мягких грунтов.

Тоннели водосброса Майнской ГЭС возводятся по двух-уступной технологии с предварительным проведением эвакуационных штолен. В виду того, что проходка производится в слабых, трещиноватых породах, было принято решение о комбайновой проходке. Эвакуационные штольни проходятся с помощью комбайна 4ПП-2М, уборка породы при этом производится погрузо-доставочными машинами (ПДМ) типа Sandvik LH203. После проходки этих эвакуационных штолен производится проходка тоннеля по двух-уступной технологии с помощью комбайна КПТ-200. Уборка породы при раскрытии полного сечения комбайнами КПТ-200 производится автопоездами МОАЗ. В качестве временного крепления используется набрызгбетон и для нижнего уступа используется анкерное крепление. Для верхнего уступа, при проходке, используется опережающая укрепительная цементация, а также опережающий экран из труб.

Для проходки штолен используется комбайн 4ПП-2М, и погрузка породы производится ПДМ типа Sandvik LH203.

Опережающая цементация выполняется для обеспечения устойчивости лба забоя верхнего уступа во время проходческих работ. Цементация выполняется каждые 27 м проходки верхнего уступа. Длинна зацементированного участка массива 30 м. Цементация грунтов осуществляется через цементационные скважины 19 шт. диаметром 105 мм длиной 30 м, пробуренных через бетонную стенку в лоб забоя под углом 90°.

Проходка верхнего уступа ведется проходческим комбайном избирательного действия заходками по 1,5 м под защитой комбинированной черновой крепи. Черновая крепь представляет собой опережающие экраны из труб верхнего и нижнего уступов, арочную и набрызбетонную крепь.

Опережающий экран верхнего уступа состоит из 65 труб ∅89x10 мм установленных по контуру забоя с отставанием 750 мм от свода и стен с шагом 300 мм. Трубы экрана опираются на металлическую полигональную арку из двутавра N° 30. Каждая стойка металлических арок имеет жесткую связь в основании с трубами опережающего экрана нижнего уступа.

Шаг арочной крепи, труб опережающего экрана нижнего уступа - 1,5 м. Арки крепятся к скальному основанию 8-ю монтажными сталиполимерными анкерами (АIII ∅ 25 мм, L=1,0 м), анкеры на чертеже условно не показаны, между собой арки раскрепляются 8-ю тяжами из арматурной стали AIII ∅40 мм с двусторонней фиксацией к аркам гайками.

Затяжка между арками выполнена из набрызгбетона толщиной 50 мм. На выходных участках тоннелей с заложением менее 32,0 м, металлические арки омоноличиваются бетоном.

Опережающий экран нижнего уступа состоит из труб ∅273х22 мм, установленных с шагом 1,5 м и заполненных цементно-песчаным раствором.

На один цикл устройства опережающего экрана из труб верхнего уступа приходится шесть циклов проходки. Перехлест труб опережающего экрана из труб верхнего уступа составляет 3950 мм.

Тоннель проходится в слабоустойчивых грунтах с коэффициентом крепости от 2,8 до 3,8 по шкале М.М. Протодьяконова комбайном КП-200т (рисунок 2) с погрузкой в автосамосвалы МоАЗ-7405-9586. Протяженность тоннеля 700 м.

Разработка сечения тоннелей ведется механизированным способом с применением проходческих комбайнов с исполнительным органом избирательного действия типа КП-200т заходками по 1,5 м со стороны выходного оголовка с транспортом грунта в отвалы на расстояние 3,0 км.

Проходческий комбайн КП200Т производства АО «Копейский машиностроительный завод», предназначен для механизации отбойки и погрузки горной массы при проведении горизонтальных и наклонных ±12° горных выработок, в шахтах, опасных по газу и пыли, при строительстве подземных сооружений и разработке рудных и не рудных месторождений полезных ископаемых.

Рисунок 2. Схема проходки комбайном КП200Т с загрузкой породы в автопоезд МоАЗ

Комбайновая проходка производится с отгрузкой породы с помощью подземных автопоездов МоАЗ-7405-9586. Самосвальный автопоезд МоАЗ-7405-9586 предназначен для работ в шахтах, тоннелях и других стесненных условиях (рисунок 3). Наличие дублирующих органов управления обеспечивает возможность работы автопоезда по "челночной схеме" т.е. езды вперед и назад без разворотов. Самосвальный автопоезд оборудован двухступенчатой системой нейтрализации отработавших газов, которая предназначена для снижения содержания в отработавших газах двигателя вредных веществ (окиси углерода, окислов азота, альдегидов и несгоревших углеводородов), а также для частичного устранения неприятного запаха газов. Одновременно система нейтрализации газов служит для глушения шума выпуска отработавших газов. Самосвальный автопоезд МоАЗ-7405-9586 имеет дублирующие органы управления, благодаря чем при проходке реализуется челноковая схема движения, и отпадает необходимость в разворотах.

Рисунок 3. Схема разминовки двух автопоездов типа МоАЗ

Укрепительная (площадная) цементация горных пород предназначается для повышения прочности и монолитности основания, для увеличения модуля деформации пород и для уменьшения неупругих перемещений их. Укрепительная цементация имеет наибольшее значение в зоне максимальных сжимающих напряжений на контакте сооружения с основанием и обычно выполняется на части площади поверхности основания: у низовой грани гравитационных плотин и в береговых примыканиях арочных плотин. При возведении сооружений в сложных геологических условиях, например, при наличии сбросов или нарушенных напластований пород, укрепительная цементация приобретает особо важную роль и в этом случае выполняется обычно на всей или большей части площади поверхности основания. Для укрепительной цементации используют густые растворы, образующие высокопрочный цементный камень и заполняющие только крупные и средние трещины. Тонкие трещины при этом остаются незацементированными, обеспечивая путь фильтрационному потоку в нижний бьеф, что предотвращает увеличение противодавления [1].

В сложных гидрогеологических условиях необходимо предусмотреть применение предварительной цементации из забоя, осуществляемой с целью улучшения условий проходки тоннельной выработки, уменьшения водопритока в период строительства, закрепления неустойчивых горных пород по трассе тоннеля (водонасыщенных зон дробления, зон с высоким гидростатическим давлением и т.д.)

В данном случае опережающая цементация выполняется для обеспечения устойчивости лба забоя верхнего уступа во время проходческих работ. Цементация выполняется каждые 27 м проходки верхнего уступа. Длинна зацементированного участка массива 30 м. Цементация грунтов осуществляется через цементационные скважины 19 шт. диаметром 105 мм длиной 30 м, пробуренных через бетонную стенку в лоб забоя под углом 90° [2].

После окончания бурения и перед началом цементации, скважина должна быть интенсивно промыта водой до полного осветления изливающейся воды или водовоздушной смеси. После окончания промывки должен быть произведен контрольный замер глубины скважины. Замеренная глубина не должна отличаться от проектной более чем на 0,2 м.

После установки тампона перед нагнетанием раствора необходимо произвести нагнетание воды в скважину с целью проверки герметичности цементационной системы и гидравлического опробования грунтов.

Гидравлическое опробование должно производиться при наибольших величинах давления и расхода, но не превышающих 0,8 ÷ 1,0 МПа. Давление нагнетания после его стабилизации должно поддерживаться неизменным в течении 10 ÷ 15 мин. За это время необходимо произвести 2 ÷ 3 замера расхода воды.

Нагнетание раствора в зону скважин следует начинать непосредственно после гидравлического опробования без перерыва в нагнетании. Раствор для укрепительной цементации подлежит корректировке стройлабораторией. Начальный состав нагнетаемого цементного раствора принимать В/Ц=10. Давление при укрепительной цементации должно составлять:

- для скважин 1 очереди - 0,5 ÷ 0,7 МПа;

- для скважин 2 и 3 очереди - 0,8 ÷ 1,0 МПа.

Допускается корректировка значений давления и расхода раствора по результатам анализа изменений давления и расхода раствора при цементации зон. Нагнетание раствора должно продолжаться непрерывно до наступления отказа или до введения 2000 кг твердого материала на 1 м длины зоны. За отказ в поглощении раствора принимается снижение расхода раствора до 2 ÷ 5 л/мин при давлении отказа.

Стоимость 30 м укрепительной цементации:

руб.

Стоимость 30 м укрепительной цементации дешевле анкерного укрепления лба забоя на 29,7 млн. рублей, и 30 м укрепительной цементации со стеклопластиковой арматурой на 75,5 тыс. рублей. Исходя из полученных результатов можно сделать вывод о том, что наиболее экономически выгодным является вариант обычной укрепительной цементации.

Список литературы:

1. ВСН 34-83. Цементация скальных оснований гидротехнических сооружений [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://snipov.net/c_4680_snip_114311.html (дата обращения: 04.03.2018)
2. Укрепительная цементация – Технический словарь Том VII [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ai08.org/index.php/term/,9da4ab975b545aa09f5c525f56aea9589c56535c59649e61a86b5b63929da260666b535c9d9d54a45eafa3a7929ca663ae7153695aa5645faa685ba06b9eac60ae536e546b9ea86caa.xhtml (дата обращения: 04.03.2018)