Обделка

ОБДЕЛКА (а. lining; н. Verkleidung, Verschalung; ф. blindage, chemisage, соffraqe; и. revestimiento, cubierta) — строительная конструкция, возводимая в подземных сооружениях для сохранения их размеров и формы, защиты от обрушений и чрезмерных смещений окружающих пород, от проникновения подземных вод. В гидротехнических и коллекторных тоннелях, подземных газонефтехранилищах. Обделка также препятствует проникновению воды, нефтепродуктов и прочего в окружающий массив. Обделка в значении "постоянная горная крепь" традиционно (в CCCP) применяется к тоннелям различного назначения, подземным сооружениям метрополитенов, ГЭС и др. В зарубежной практике разделение понятий "обделка" и "крепь" отсутствует.

Конструкции, формы и размеры обделки определяются назначением подземных сооружений (тоннели, машинные залы ГЭС, станции метрополитенов, хранилища и т.п.), технологией их строительства (горный способ, способ продавливания, открытый способ, способ опускных секций, способ "стена в грунте" и др.), воспринимаемыми нагрузками и воздействиями.

Монолитные обделки (набрызг-бетонные, бетонные, железобетонные) широко распространены в подземных сооружениях, строящихся горным способом. Набрызг-бетонная обделка представляет собой покрытие по породе толщиной 5-7 см. В нарушенных горных породах наносится слой набрызг-бетона до 15-20 см по металлической сетке, которую устанавливают на анкерах после первичного покрытия. Применение набрызг-бетонных обделок позволяет механизировать и автоматизировать (в т.ч. с использованием роботов) процесс нанесения (набрызга) бетона на породные стенки подземных сооружений. Монолитные бетонные обделки (рис. 1) имеют преимущественно сводчатое очертание: пологий свод, опирающийся на породы; пологий свод, опирающийся на прямые вертикальные стены; подъёмистый свод с плавным сопряжением со стенами; подковообразное очертание с массивными, уширяющимися книзу или криволинейными стенами. Обделки имеют, как правило, замкнутую форму с плоским бетонным лотком или обратным сводом. Возводятся они с помощью инвентарных металлических опалубок с механизированной подачей бетонной смеси.

В транспортных, гидротехнических и коллекторных тоннелях круглого сечения применяются обделки из монолитно-прессованного бетона. Обделки возводятся при щитовой проходке тоннелей. Прессование поданной за опалубку бетонной смеси производится домкратами щита в момент его передвижки. В процессе прессования под давлением 1-1,5 МПа под торцом прессующего кольца происходит отжатие из бетонной смеси избыточной воды, а также воздуха и осуществляется полный контакт обделки с породами. Материал монолитно-прессованной обделки обладает повышенной прочностью при сжатии (до 30%) и модулем общей деформации (до 20%). Ведутся работы по радиальному способу прессования бетона в скользящей опалубке. Применяется дисперсное армирование монолитно-прессованных обделок. В гидротехническом строительстве используют обделки из низкомодульных латексных бетонов. Монолитные железобетонные обделки применяют при наличии в этих конструкциях значительных растягивающих напряжений (напорные гидротехнические и коллекторные тоннели, припортальные участки тоннелей и др.). Процент армирования от 0,5 до 2%. Арматура используется преимущественно в виде сварных каркасов. Стержни рабочей арматуры диаметром 20-40 мм располагают в один или два ряда. На распределительную арматуру приходится не более 15% объёма рабочей.

За рубежом распространена так называемая крепь Бернольда, в которой используются арматурно-опалубочные щиты из листовой стали толщиной 2-3 мм с образованными штамповкой прорезями и местными изгибами, обеспечивающими жёсткость щитов. Щиты могут устанавливаться между арками временной крепи как затяжка с дальнейшим покрытием их набрызг-бетоном (в результате чего образуется армированная набрызг-бетонная обделка), а также как опалубка при возведении монолитной бетонной обделки. Как и в первом случае, они остаются в теле обделки в качестве арматуры. После бетонирования щиты покрывают защитным слоем набрызг-бетона.

Сборные обделки монтируют в подземных сооружениях из элементов (блоков, тюбингов, панелей и др.) заводского изготовления. Сборные железобетонные обделки подземных сооружений при открытом способе работ могут иметь прямоугольную форму и монтироваться из железобетонных панелей и плит (стены, перекрытие, лоток) или готовых замкнутых по периметру сечения тоннеля секций определённой длины.

Сборные железобетонные обделки из блоков или тюбингов (рис. 2, рис. 3) применяют при строительстве тоннелей круглого сечения, а также станций метрополитена.

По конструкции элементов различают обделки из гладких блоков, ребристых блоков, ребристых тюбингов; по конструкции стыков между элементами — с плоскими стыками без прокладок и с упругими прокладками, с шарнирными стыками, стыками в виде "выступ — паз"; по характеру и наличию связей между элементами — без связей, с временными связями в период монтажа и с постоянными связями растяжения в виде болтовых соединений. Материал блоков и тюбингов — бетон марки М400 и выше со сварными арматурными каркасами. Блоки и тюбинги имеют, как правило, прямоугольную форму (рис. 4), в коллекторных тоннелях применяются обделки из блоков трапециевидной формы.

Кольцо обделки включает элементы двух или трёх видов (нормальные, смежные, замковые, лотковые). Элементы сборной обделки в смежных кольцах соединяются с перевязкой и без перевязки продольных стыков. Для обеспечения прочного непрерывного контакта сборной обделки с массивом осуществляется заполнительная (первичная) и контрольная (вторичная) цементация строительного зазора между обделкой и массивом горных пород. Сборная обделка может возводиться с предварительным напряжением (обжатием в породу). Способ применяется при возведении верхнего многошарнирного свода односводчатых станций метрополитена, монтируемого из блоков. Разжатие осуществляется плоскими гидравлическими домкратами, находящимися в теле замкового распорного блока.

Сборные обделки из чугунных тюбингов используют при строительстве подземных сооружений в сложных гидрогеологических условиях, в тоннелях с внутренним диаметром от 5,1 до 8,8 м. Тюбинги представляют собой литые чугунные сегменты, снабжённые фланцами и усиливающими рёбрами. Толщина спинки (оболочки) тюбинга 20-50 мм. Тюбинги в кольце и кольца между собой соединяются болтами. Стыки тюбингов гидроизолируются.

Комбинированные обделки представляют собой сочетание нескольких видов обделок. Применяются в случаях, когда по гидрогеологическим условиям или экономическим соображениям невозможно или нецелесообразно использование только одного вида обделки. Различают комбинированные обделки, в которых разные виды обделок составляют единую конструкцию (обделки в сочетании с анкерной крепью, многослойные обделки), а также комбинированные обделки, в которых разные виды обделок использованы для крепления различных частей подземного сооружения (свод, стены, лоток). Например, чугунная тюбинговая обделка тоннеля с железобетонным плоским лотком; конструкция станции метрополитена колонного типа, состоящая из разомкнутых обделок боковых тоннелей из железобетонных тюбингов, среднего зала, образованного верхним и обратным сводами из железобетонных тюбингов, и внутренних несущих конструкций (прогоны, колонны и др.) из высокопрочной стали и чугуна; обделки машинных залов ГЭС и ГАЭС, в которых сочетается монолитный железобетон (обычно свод), набрызг-бетон и предварительно напряжённые анкера глубокого заложения.

Многослойные комбинированные обделки применяют в напорных гидротехнических и коллекторных тоннелях, в газонефтехранилищах шахтного типа; обделки из наружного монолитного бетонного слоя и внутренней железоторкретной оболочки ("рубашки") — в породах средней крепости, способных воспринять значительную часть внутреннего напора. Железоторкретная оболочка выполняется в несколько слоев, каждый из которых армируется сварными сетками (не менее 1% армирования). Толщина оболочки 5-12 см. В необходимых случаях для уменьшения шероховатости поверхности производят затирку свежеуложенного торкрета. Обделки из наружного монолитного бетонного или железобетонного слоя и внутренней стальной оболочки используются в высоконапорных тоннелях и газонефтехранилищах при внутреннем напоре более 1 МПа, в слабых породах, в зонах тектонических нарушений. Оболочка выполняется из стальных листов толщиной 10-40 мм. В необходимых случаях оболочка усиливается наружными рёбрами жёсткости, обеспечивающими устойчивость под действием внешнего гидростатического давления при опорожнении тоннеля.

Обделки сборно-монолитные с наружным слоем из железобетонных блоков или тюбингов и внутренним слоем из монолитной железоторкретной или железобетонной оболочки применяются в безнапорных гидротехнических и коллекторных тоннелях. В напорных тоннелях в слабых породах внешний слой — железобетонные тюбинги или блоки, обжатые в породу, внутренний — железобетонная "рубашка". Между слоями обделки используют битумную обмазку, уменьшающую сцепление бетона с блоками. В отдельных случаях в сложных гидрогеологических условиях наружный слой обделки формируется из чугунных тюбингов, а внутренний — из железобетонной рубашки. В многослойных обделках внутренний слой обычно возводится с отставанием, чтобы основная часть нагрузки отгорного давления пришлась на внешнем слое.

В напорных гидротехнических тоннелях применяют предварительно напряжённые обделки, в которых в процессе возведения создаются сжимающие нормальные силы, в результате чего обеспечиваются благоприятные условия работы обделки при внутреннем напоре. Предварительные напряжения могут создаваться путём обжатия обделок в породу, натяжения стальной арматуры или бандажей, расположенных по внешней поверхности обделки. В отличие от арматуры бандажи, изготовленные из пучков высокопрочной проволоки, могут не иметь сцепления с бетоном.

Предварительное напряжение обделки выполняют подачей цементного раствора под давлением в зазор по контакту обделки с массивом через специально установленные по периметру через 2-3 м по длине тоннеля перфорированные пластмассовые шланги.

В сложных гидрогеологических условиях для облегчения обделки, повышения её эффективности производят укрепительную или противофильтрационную цементацию окружающих пород или применяют дренаж подземных вод. Выполняют эти операции также с целью снижения давления подземных вод на обделки и защиты сооружений от попадания в них подземных вод. Устройства местного дренажа (шпуровые дрены, дренажные трубы и полости, дренажная засыпка) являются составной частью конструкции обделки. Укрепительная и противофильтрационная цементация пород производится вокруг тоннеля на глубине 5-6 м. Возможна она при наличии в массиве трещин с раскрытием не менее 0,1 мм при удельном водопоглощении пород более 0,01 л/мин.

Расчёт обделки производится на действие горного давления, внешнего гидростатического давления, внутреннего напора, на сейсмическое воздействие (землетрясение), динамическое воздействие взрывов. Традиционным является расчёт обделки на заданные нагрузки с учётом упругого отпора пород. Развиваются новые прогрессивные методы расчёта, основанные на анализе контактного взаимодействия обделки с деформируемым массивом. Обделка и массив рассматриваются как взаимодействующие элементы единой деформируемой системы. В отличие от традиционных методов расчёта нагрузки на обделку, напряжения на контакте обделки с массивом не задаются в качестве исходных данных, а определяются в процессе расчёта. Новые методы расчёта обделки составляют предмет механики подземных сооружений. Методы механики подземных сооружений обладают высокой степенью согласованности с практикой и позволяют с единых позиций производить расчёт обделки на все виды воздействий. При этом максимально учитывается несущая способность самого массива, и вскрываются резервы несущей способности обделки.