Возведение горных тоннелей является одной из наиболее сложных и ответственных задач в области инженерии и строительства. Этот процесс требует тщательной подготовки, детального изучения геологических условий и применения современных технологий для обеспечения устойчивости конструкций. Горные тоннели нужны в транспортной инфраструктуре, не обходятся без них гидротехнические сооружения и горнодобывающая промышленность. Их строительство связано с множеством технических и экологических моментов, включая сложные геологические разрезы, наличие грунтовых вод и необходимость защиты окружающей среды.

Один из эффективных методов возведения таких сооружений – горный, который позволяет минимизировать воздействие на поверхность, сократить объем земляных работ и обеспечить безопасность работ в сложных геологических условиях. В отличие от открытого способа строительства, при котором производится выемка грунта на поверхности, горный метод предполагает прокладку тоннелей непосредственно в массиве горных пород, что снижает вероятность оседания грунта и негативного влияния на природный ландшафт.

Классификация горных способов проходки

В зависимости от степени механизации, горный способ строительства подразделяется на ряд категорий.

Ручной способ:

• Разработка породы осуществляется с помощью отбойных молотков, кирок и лопат.
• Применяется преимущественно в слабых породах.
• Недостатки: высокая трудоемкость и низкая скорость проходки.

Буровзрывной способ:

• В забое бурятся скважины, в которые закладываются взрывчатые вещества для разрушения породы.
• Эффективен в скальных и полускальных породах.
• Преимущества: высокая производительность.
• Недостатки: взрывная волна может нарушать целостность окружающего массива, увеличивая объем разрабатываемой породы.

Механизированный способ:

• Используются самоходные проходческие комбайны на гусеничном ходу.
• Применяется в породах средней крепости.
• Преимущества: высокая скорость проходки и снижение доли ручного труда.

Основные методы

В зависимости от последовательности проходки и особенностей устройства тоннельной конструкции, выделяют разные методы.

Способ полного профиля:

• Разработка сечения тоннеля ведется в строго установленной последовательности.
• Применяется в слабых неводоносных грунтах.
• Преимущества: высокие темпы строительства за счет широкого фронта работ.
• Недостатки: большой объем крепежного материала и деформации системы крепи, что ограничивает применение в городских условиях.

Способ опертого свода:

• Сначала разрабатывается верхняя часть выработки (калотта), затем сооружается свод тоннеля, под прикрытием которого разрабатывается нижняя часть (штросса).
• Применяется в породах средней крепости.
• Преимущества: безопасность работ при различных грунтовых условиях.
• Недостатки: сложность конструкции временной крепи и необходимость тщательного контроля деформаций.

Способ опорного ядра:

• В центральной части тоннеля оставляется опорное ядро из неразработанной породы, которое служит естественной опорой для свода.
• После возведения свода опорное ядро постепенно удаляется.
• Преимущества: снижение деформаций и повышение устойчивости выработки.

Недостатки: сложность выполнения и необходимость точных расчетов.

Временные крепи при горном способе строительства

Для обеспечения безопасности работ и устойчивости выработки используются различные виды временных крепей.

Деревянные крепи применяются в слабоустойчивых грунтах, таких как песок или глина.

Преимущества: доступность и простота монтажа.

Недостатки: ограниченный срок службы и низкая огнестойкость.

Металлические арочные крепи используются при разработке полного сечения тоннеля.

Они состоят из стальных арок, стяжек-распорок и дощатой затяжки.

Преимущества: высокая прочность и возможность применения в различных грунтах. 

Недостатки: высокая стоимость и сложность монтажа.

Анкерные крепи применяются в скальных и полускальных грунтах со средней устойчивостью. Анкеры могут быть выполнены из железобетона, металла или сталеполимеров.

Преимущества: минимальное вмешательство в структуру породы и экономичность. Недостатки: необходимость точных расчетов и контроля за состоянием анкеров.

Набрызг-бетон (торкрет-бетон) наносится на поверхность выработки сразу после разработки.

Преимущества: быстрое создание поддерживающего слоя и возможность применения в различных грунтах. Недостатки: необходимость специального оборудования и квалифицированного персонала.

Современные методики возведения

С развитием технологий строительство горных тоннелей вышло на новый уровень. Появились усовершенствованные методы, направленные на повышение эффективности и безопасности работ:

Новоавстрийский способ:

• Основывается на максимальном использовании несущей способности горного массива.
• Крепление тоннеля выполняется торкрет-бетоном и анкерными системами.
• Применяется в скальных и полускальных породах.
• Преимущества: снижение объема временной крепи и экономия материалов.
• Недостатки: необходимость постоянного мониторинга деформаций.

Метод щитовой проходки:

• Используется в мягких грунтах и водонасыщенных породах.
• Проходческий щит защищает забой и обеспечивает надежное возведение тоннеля.
• Преимущества: высокая скорость работ и минимизация оседания грунта.
• Недостатки: высокая стоимость оборудования и сложность управления щитом.

Заключение

Горный способ строительства тоннелей остается одним из наиболее востребованных методов сооружения подземных коммуникаций, особенно в сложных геологических условиях. Современные технологии позволяют значительно повысить эффективность и безопасность работ, минимизируя риски обрушений и деформаций горного массива. Выбор конкретного метода зависит от характеристик породы, глубины залегания тоннеля и требований к его эксплуатации. Оптимальное сочетание традиционных и инновационных способов позволяет достичь высокой надежности конструкций и экономической эффективности строительства.