«Тоннелестроение: Практическое руководство»

ФОРМА И РАЗМЕРЫ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ.

При выборе профиля сечения тоннеля необходимо учитывать два фактора: (1) форма сечения, наиболее подходящая для данных условий, и (2) внутренние размеры этого сечения.

Форма сечения.

— Форма профиля сечения тоннеля должна быть такой, чтобы обделка наилучшим образом сопротивлялась давлению, оказываемому незакрепленными стенками выработки, которое варьируется в зависимости от характера пройденного материала. Это давление имеет как вертикальное, так и боковое направление; свод, лишенный опоры в результате выемки грунта, стремится обрушиться, а противоположные стенки по той же причине стремятся сместиться внутрь вдоль плоскости, более или менее наклоненной в зависимости от трения и сцепления материала. В некоторых горных породах сцепление настолько велико, что они могут стоять вертикально, в то время как в рыхлом грунте, который сползает вдоль плоскости, наклон которой прямо пропорционален сцеплению, оно может быть очень малым.

Из теории сопротивления профилей мы знаем, что сопротивление линии внешним нормальным силам прямо пропорционально степени её кривизны и, следовательно, обратно пропорционально радиусу кривой. Следовательно, профиль сечения тоннеля, пройденного в твердой скальной породе, где из-за высокого сцепления материала отсутствуют боковые давления и необходимо сопротивляться только вертикальному давлению, должен быть спроектирован так, чтобы оказывать наибольшее сопротивление в своей наивысшей точке, и поэтому кривая там должна быть более крутой, а к основанию может становиться более пологой. В плывунах, иле или другом материале, практически не обладающем сцеплением, все давления будут направлены по нормали к линии профиля, и круговое сечение лучше всего подходит для сопротивления им. Эти теоретические соображения были подтверждены практическим опытом, и их можно использовать для определения формы сечения в общих чертах. Применяя их к очень твердым скальным породам, мы получаем сечение со сводчатым верхом и вертикальными боковыми стенками. В более мягких материалах мы получаем эллиптическое сечение с вертикальной большой осью, а в очень мягких плывунах и иле — круглое сечение. Эти три формы поперечного сечения и их модификации являются наиболее часто используемыми для тоннелей. Важным исключением из этой общей практики, однако, являются некоторые городские подземные железные дороги скоростного транспорта, построенные в последние годы, где используется прямоугольное или коробчатое сечение. Эти тоннели обычно заложены на небольшой глубине, поэтому вертикальные давления сравнительно невелики, а изгибающие моменты, которые они оказывают на плоский свод, компенсируются использованием стальных балок для формирования обделки свода.

Рис. 7. — Схема полицентрического профиля сечения.

Из сказанного видно, что невозможно установить стандартный профиль сечения, подходящий для всех условий. Наилучшим для большинства условий и наиболее часто применяемым является полицентрический профиль, в котором количество центров и длина радиусов определяются инженером в соответствии с конкретными существующими условиями. В общем виде такую форму можно считать состоящей из двух частей, симметричных относительно вертикальной оси. Рис. 7 показывает такой профиль, в котором DH — вертикальная ось. Сечение несимметрично относительно горизонтальной оси GE. Верхняя часть, образующая свод, обычно представляет собой полукруг или полуэллипс, в то время как нижняя часть, включающая боковые стенки и обратный свод пола, сильно варьируется по очертаниям. Иногда боковые стенки вертикальны, а обратный свод отсутствует, как показано на рис. 8; иногда боковые стенки наклонены, а их основания расперты обратным сводом, как показано на рис. 9. В более неустойчивых грунтах боковые стенки изогнуты и соединены с обратным сводом небольшими криволинейными участками, как показано на рис. 10. В последнем примере боковые стенки обычно называют пятами свода, а нижняя часть сечения представляет собой полицентрическую фигуру, подобную верхней, но отличающуюся по форме.

В сечении тоннеля, профиль которого полностью состоит из дуг, существенны следующие условия: центры дуг пят свода Ga и Ea′, рис. 7, должны располагаться на линии GE; центр дуги свода bDb′ должен располагаться на оси HD; общее количество центров должно быть нечетным; радиусы последующих дуг от G к D и от E к D должны уменьшаться по длине, и, наконец, сумма углов, стягиваемых несколькими дугами, должна быть равна 180°.

Рис. 8

Рис. 9

Рис. 10

Рис. 8–10. — Типовые профили сечений тоннелей.

Размеры сечения.

— Размеры, которые следует придать поперечному сечению тоннеля, зависят от цели, для которой он будет использоваться. Какова бы ни была цель тоннеля, при определении размера его поперечного сечения необходимо учитывать следующие три момента: (1) требуемый размер свободного проема; (2) необходимая толщина каменной обделки; и (3) уменьшение свободного проема из-за деформации обделки.

Железнодорожные тоннели могут строиться для размещения одного, двух, трех или четырех путей. В однопутных тоннелях между стенкой тоннеля и боковой стороной самого крупного стандартного локомотива или вагона должно быть предусмотрено свободное пространство не менее 2 1/2 футов, а между сводом и верхом того же локомотива или вагона — не менее 3 футов. Поскольку свод тоннеля имеет арочную форму, для обеспечения зазора в 3 фута в каждой точке необходимо сделать зазор в центре больше этой величины. В двухпутных тоннелях должны быть предусмотрены такие же зазоры по бокам и в своде, а кроме того, между поездами должен быть зазор не менее 2 футов. В трех- и четырехпутных тоннелях меняется только ширина, в то время как высота остается почти такой же, как в двухпутных. Обращаясь к рис. 7 и предполагая, что линия AB представляет уровень путей, обычные размеры в футах, требуемые как для однопутных, так и для двухпутных тоннелей, будут следующими:—

Height, D. F. Width, G. E. Height, C. F. Height, C. H.

Feet. Feet. Feet. Feet.

Single track 17.6 to 18 16.5 to 18 6 to 7.4 1⁄4 to 1⁄8 AB

Double track 26.6 to 28 26.6 to 28 6.3 to 6.9 1⁄4 to 1⁄8 AB

Размеры тоннелей, построенных для водоводов, определяются таким образом, чтобы площадь поперечного сечения была равна требуемому сечению водного потока. В Кротонском акведуке использовались два разных типа поперечных сечений: круглое для тоннелей в скальных породах и подковообразное для тоннелей в рыхлых материалах. В Катскиллском акведуке были выбраны три разных поперечных сечения: круглое для тоннелей под давлением и подковообразное для тоннелей по гидравлическому уклону. Однако в скальных породах они имеют поперечное сечение, состоящее из полуциркульного свода и вертикальных боковых стенок, в то время как в грунте полуциркульный свод опирается на стены с пятами.

В тоннелях, построенных для железных дорог, акведуков, канализаций и любых других целей, толщина каменной обделки варьируется в зависимости от пройденного материала, как будет объяснено в следующей главе, где размеры для различных обычных условий приведены в табличной форме. Каменная обделка подвержена деформации тремя способами: из-за просадки всей каменной конструкции, из-за сближения боковых стенок под действием бокового давления и из-за осадки свода. Вся каменная конструкция никогда не проседает более чем на три-четыре дюйма, и этому уделяется мало внимания. Однако движение боковых стенок навстречу друг другу, которое может составлять три или четыре дюйма для каждой стенки, не подвергая опасности их устойчивость, должно быть учтено; аналогичный допуск должен быть сделан для осадки свода, которая может составлять от девяти дюймов до двух футов, когда свод строится первым, как в бельгийском методе, и некоторое время опирается на рыхлый грунт.

ГЛАВА III. ЭКСКАВАТОРЫ И ПЕРФОРАТОРЫ: ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА И ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ.

Землеройные машины.

— Сравнительно немногие из трудосберегающих машин, используемых для разрыхления и удаления рыхлого грунта при обычных земляных работах на поверхности, применяются при проходке тоннелей в том же материале. В разное время испытывались различные формы тоннелепроходческих машин, но лишь немногие из них добились какого-либо успеха, и они редко использовались более чем на одной работе. При строительстве подземной железной дороги в Центральном Лондоне в глинистых грунтах использовался непрерывный ковшовый экскаватор (рис. 11), что позволило значительно сэкономить время и труд по сравнению с ручной работой. В некоторых недавних тоннельных работах в Америке подрядчики весьма успешно использовали модифицированную форму парового экскаватора. Это самые последние попытки использования землеройных машин в мягких грунтах, и их, как и все предыдущие попытки, следует классифицировать скорее как эксперименты, чем как примеры обычной практики. Машина Томсона [4], однако, может быть использована в любом тоннеле, проходящем через рыхлый грунт. Она занимает сравнительно мало места и может легко работать, когда для поддержки свода тоннеля используется крепление. Паровой экскаватор, напротив, может дать эффективный результат только в том случае, если все сечение тоннеля раскрыто сразу и нет креплений, препятствующих свободному повороту рукояти ковша и стрелы. Но в тоннелях в рыхлых грунтах почти невозможно раскрыть все сечение сразу без необходимости поддержки свода. Следовательно, использование парового экскаватора в тоннелях в рыхлых грунтах очень ограничено. Лопата, заступ и кирка, используемые вручную, являются стандартными инструментами сейчас, как и в прошлом, для проходки тоннелей в мягких грунтах.

[4] Машина была спроектирована г-ном Томасом Томсоном, инженером фирмы Walter Scott & Co.

Рис. 11. — Ковшовый экскаватор для мягких грунтов: подземная железная дорога в Центральном Лондоне.

Машины для разработки скальных пород.

— В один из периодов строительства тоннеля Хузак значительное внимание уделялось разработке машины для разработки скальных пород, бурения или проходки тоннелей. Это устройство было спроектировано для прорезания канавки по окружности тоннеля шириной тринадцать дюймов и диаметром двадцать четыре фута с помощью вращающихся резцов. Оно оказалось неудачным, как и машина меньшего размера, диаметром восемь футов, испытанная впоследствии. Во время и до работ по строительству тоннеля Хузак ряд буровых машин аналогичного характера испытывался в тоннеле Мон-Сени и в других местах Европы; но, как и американские устройства, они были в конечном итоге заброшены как непрактичные.

Ручные буры.

— Кратко говоря, бур представляет собой стальной стержень с долотообразным концом или режущей кромкой. Простейшая форма ручного бура приводится в действие одним человеком, который держит бур в одной руке и ударяет по нему молотком, который держит в другой руке. Однако более эффективным методом работы с ручным буром является тот, при котором один человек держит бур, а другой размахивает молотом или кувалдой. Другая форма ручного бура, называемая ударным буром, состоит из длинного тяжелого стального стержня, который рабочий попеременно поднимает и опускает, таким образом прорезая отверстие повторяющимися ударами.

При бурении вручную рабочий, держащий бур, при каждом ударе слегка поворачивает его вокруг своей оси, чтобы предотвратить заклинивание и обеспечить свежую поверхность для режущей кромки. По той же причине часто удаляют крошку и пыль, скапливающиеся в буровой скважине. Инструменты, используемые для этой цели, называются скребками или черпалками и обычно очень просты по конструкции. Обычная форма — это прочная проволока, конец которой согнут под прямым углом и расплющен так, чтобы получился своего рода совок, с помощью которого буровую мелочь можно выскрести или вытащить из скважины. Обычно выгодно заливать воду в скважину во время бурения, чтобы бур не перегревался.

Механические буры.

— Когда условия позволяют их использовать, почти всегда предпочтительнее применять механические буры из-за их большей скорости проходки и большей экономичности работы. Механические буры работают от прямого давления пара или от сжатого воздуха, вырабатываемого паровой или водяной энергией и хранящегося в ресиверах, откуда он подается к бурам через железные трубы. Для тоннельных работ в скальных породах доступно большое разнообразие форм механических буров, но почти все они могут быть сгруппированы в один из двух классов: (1) Ударные буры и (2) Вращательные буры.

Ударные буры.

— Первый американский ударный бур был запатентован г-ном Дж. Дж. Каучем из Филадельфии, штат Пенсильвания, в марте 1849 года. В мае того же года г-н Джозеф У. Фоул, который помогал г-ну Каучу в разработке его бура, запатентовал ударный бур собственного изобретения. Бур Фоула был взят на вооружение и усовершенствован г-ном Чарльзом Берли и впервые использован на тоннеле Хузак. В Европе г-н Каве запатентовал ударный бур во Франции в октябре 1851 года. За этим изобретением вскоре последовали другие; но только после того, как бур Соммейе, запатентованный в 1857 году и усовершенствованный в 1861 году, был использован в тоннеле Мон-Сени, проблема ударного бура была практически решена за рубежом. С тех пор в Америке и Европе было получено множество патентов на ударные буры.

Ударный бур состоит из цилиндра, в котором работает поршень, несущий длинный шток, и который поддерживается таким образом, что бур, закрепленный на конце штока, попеременно ударяет по скале и отводится от нее по мере того, как поршень совершает возвратно-поступательные движения в цилиндре. Разработаны средства, с помощью которых шток и бур слегка поворачиваются вокруг своей оси после каждого удара, а также с помощью которых бур подается вперед или продвигается по мере увеличения глубины скважины. Буры этого типа, наиболее часто используемые в Америке, — это Ingersoll-Sergeant и Rand. Однако в обычном использовании есть и другие марки, которые отличаются от двух названных и друг от друга главным образом методами управления клапаном. Все эти буры работают либо от прямого давления пара, либо от сжатого воздуха. Существуют работоспособные ударные буры, работающие от электричества, но пока они, по-видимому, не смогли конкурировать в коммерческом отношении со старыми формами. Здесь не будет предпринято попытки сделать выбор между различными формами ударных буров для тоннельных работ, и за различиями в конструкции и достоинствами, приписываемыми каждому из них, читатель отсылается к производителям этих машин. Все ведущие марки обеспечат эффективное обслуживание. Само собой разумеется, что хороший ударный бур должен работать с минимальной потерей давления и состоять из небольшого количества деталей, которые можно легко снять и заменить.

Установка буров.

— Для тоннельных работ общая европейская практика заключается в установке механических буров на каретку, движущуюся по рельсам, чтобы их можно было легко отвести во время производства взрывных работ. Соединение с паровыми или воздухопроводными трубами осуществляется с помощью гибких шлангов, которые можно легко присоединить или отсоединить по мере продвижения бура или при его перемещении для ремонта или во время взрывов. Два, четыре, а иногда и больше буров устанавливаются и работают одновременно на одной каретке. В Америке было установлено, что колонковые установки более успешны для тоннельных работ, чем любая другая форма. Колонковая установка, изготовленная компанией Ingersoll-Sergeant Drill Co., показана на рис. 12. При использовании этой формы установки не требуется рельсов или других специальных приспособлений; нет необходимости, как в случае с кареточной установкой, удалять породу перед возобновлением операций, но как только взрывные работы закончены и дым достаточно рассеялся, колонну можно установить и возобновить бурение.

Рис. 12. — Колонковая установка для ударного бура: Ingersoll-Sergeant Drill Co.

Вращательные буры.

— Вращательные буровые машины, или, проще говоря, вращательные буры, впервые были использованы в 1857 году в тоннеле Мон-Сени. Преимущества, приписываемые вращательным бурам по сравнению с ударными, заключаются в следующем: (1) для привода бура требуется меньше энергии, и энергия лучше используется; (2) как только машины начинают работать легко, они не требуют постоянного ремонта, и (3) при бурении скважин большого размера внутреннее ядро извлекается целиком, что сокращает работу и увеличивает скорость бурения. Вращательные буры широко используются для геологических, горнодобывающих, буровых и разведочных целей; но они очень редко применяются в тоннелях в Америке, хотя успешно используются для этой цели в Европе. Причина, по которой они не получили большего признания среди американских тоннелестроителей, отчасти, возможно, связана с предрассудками, но главным образом с высокой стоимостью машины по сравнению с ударными бурами и стоимостью алмазов для ремонта. Те, кто выступает за эти машины для тоннельных работ, указывают, однако, что при обычном использовании алмазы имеют очень долгий срок службы — зафиксированы случаи бурения на 700 погонных футов без ремонта алмазов.

Рис. 13. — Эскиз алмазной буровой коронки.

Форма вращательного бура, используемая главным образом для разведочных целей, — это алмазный бур. Эта машина состоит из полой цилиндрической коронки с режущей кромкой из алмазов, которая вращается со скоростью от двухсот до четырехсот оборотов в минуту с помощью подходящего оборудования, работающего от пара или сжатого воздуха. Алмазы установлены в режущей кромке коронки так, чтобы выступать наружу из ее кольцевой поверхности, а также слегка внутрь и наружу ее цилиндрических сторон (рис. 13). Когда буровая штанга с прикрепленной коронкой вращается и подается вперед, коронка прорезает кольцевое отверстие в скале; буровая мелочь удаляется из скважины постоянным потоком воды, который нагнетается вниз через полую буровую штангу и выходит, унося с собой породу, вверх через узкое пространство между внешней стороной коронки и стенками скважины. Существуют различные марки алмазных буров, но все они работают по существу одинаково.

Вращательный бур, преимущественно используемый в Европе при проходке тоннелей, — это бур Брандта. Режущая кромка бура Брандта состоит из зубьев из закаленной стали. Коронка прижимается к скале гидравлическим давлением и обычно совершает от семи до восьми оборотов в минуту. Часть воды при выходе проходит через полую коронку, охлаждая ее и очищая скважину от породы. Для работы этих буров требуется давление воды от 300 до 450 фунтов на квадратный дюйм. Вращательные скальные буры для тоннельных работ могут устанавливаться как на каретках, так и на колоннах. Недавно было сконструировано несколько машин с целью разрушения скальных пород в тоннелях без взрывных работ, но они не получили одобрения инженеров-тоннельщиков. Одна из этих машин снабжена многочисленными электрическими горелками, которые прикладываются к скале спереди. При внезапном охлаждении скалы струей холодной воды камень рассыпается. Другая машина была испытана с небольшим успехом при выемке грунта для нового вокзала Гранд-Сентрал в Нью-Йорке. На передней части этой машины находится множество отбойных буров, вращающихся на четырех рычагах и приводимых в действие давлением воздуха. Они атакуют скалу и откалывают ее на фрагменты, которые уносятся бесконечной лентой.

ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА И ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ.

Когда скважины пробурены, либо вручную, либо механическими бурами, их заряжают взрывчатыми веществами. Основными взрывчатыми веществами, используемыми при проходке тоннелей, являются порох, нитроглицерин и динамит.

Порох.

— Порох состоит из древесного угля, серы и селитры в пропорциях, варьирующихся в зависимости от качества пороха. Для горных работ используется состав: 65% селитры, 15% серы и 20% древесного угля. Это черный гранулированный порошок с удельным весом 1,5; черный цвет придается углем; зерна имеют угловатую форму и варьируются по размеру от 1/8 дюйма до 3/8 дюйма. Хороший взрывчатый порох не должен содержать мелких зерен, что можно обнаружить, высыпав немного пороха на лист белой бумаги. Сила, развиваемая при взрыве пороха, точно не известна; она зависит от пространства, в котором он заключен. Разные авторитеты оценивают давление от 15 000 фунтов на кв. дюйм при слабых взрывах до 200 000 фунтов на кв. дюйм в артиллерии. Авторитеты также расходятся во мнениях относительно характера газов, выделяющихся при взрыве пороха, что является вопросом жизненной важности для инженера-тоннельщика, поскольку они могут повлиять на здоровье и комфорт его рабочих. Можно предположить, однако, в общих чертах, что кислород селитры превращает почти весь углерод древесного угля в углекислый газ, часть которого соединяется с поташем селитры, образуя карбонат калия, а остальная часть остается в форме газа. Сера превращается в серную кислоту и образует сульфат калия, который в результате реакции разлагается на гипосульфит и сульфид. Азот селитры почти полностью выделяется в свободном состоянии; а поскольку углерод не был полностью сожжен в угольную кислоту, образуется часть окиси углерода.

Нитроглицерин.

— Нитроглицерин — одно из современных взрывчатых веществ, используемых в качестве заменителя пороха. Это жидкость, получаемая путем смешивания глицерина с азотной и серной кислотами; он замерзает при +41° F и горит очень тихо, выделяя углекислый газ, азот, кислород и воду. При ударе или взрыве некоторых веществ, таких как капсюли с порохом или гремучей ртутью, нитроглицерин производит внезапный взрыв, при котором образуется около 1250 объемов газов. Давление этих газов было рассчитано как 26 000 атмосфер, или 324 000 фунтов на кв. дюйм. Нитроглицерин очень легко взрывается от удара в своем нормальном состоянии, но с большим трудом в замороженном; поэтому в Америке в начале его использования его перевозили только в замороженном состоянии. В грязном виде нитроглицерин подвергается спонтанному разложению, сопровождающемуся выделением газов и тепла, которое, достигая 388° F, вызывает его взрыв. Несмотря на огромное давление, которое развивает нитроглицерин, он очень редко используется в жидком состоянии, а смешивается с гранулированной абсорбирующей землей, состоящей из раковин диатомовых водорослей. Жидкость не претерпевает химических изменений при впитывании и взрывается, замерзает и горит при тех же условиях, что и в жидком состоянии.

Динамит.

— Заслуга в том, что нитроглицерин стал доступен для целей инженера путем смешивания его с гранулированным абсорбентом, принадлежит Альберту Нобелю из Стокгольма, Швеция, который назвал новый материал динамитом. Нитроглицерин в динамите теряет очень мало своей первоначальной взрывной силы, но гораздо труднее взрывается от удара и может использоваться как в горизонтальных, так и в вертикальных скважинах, что, конечно, было невозможно в его жидком состоянии. Динамит должен содержать не менее 50% нитроглицерина. Некоторые производители вместо диатомовой земли используют другие абсорбенты, которые выделяют газы при взрыве и увеличивают силу взрыва. Эти смеси классифицируются под общим названием ложных динамитов. Производится огромное количество разновидностей динамита, и каждый производитель обычно делает несколько сортов, которым дает специальные названия. Динамит для железнодорожных работ, проходки тоннелей и горных работ содержит около 50% нитроглицерина; для карьерных работ — около 35%, а для взрывания мягких пород — около 30%. Он продается в цилиндрических патронах, покрытых бумагой.

Хранение взрывчатых веществ.

— При проходке тоннелей в скальных породах необходимо использовать большое количество взрывчатых веществ, и необходимо иметь безопасное место для их хранения. Во многих штатах существуют специальные законы, регулирующие транспортировку и хранение взрывчатых веществ; там, где нет законодательного регулирования, инженер должен принять соответствующие меры предосторожности по своему усмотрению. Лучше всего построить специальный дом или хижину в одной из самых скрытых частей работ и вдали от тоннеля, защитив его молниеотводом и от огня. Сторожу, отвечающему за хранение, следует дать строгие указания не допускать внутрь лиц с лампами или огнем в любом виде, а курение должно быть запрещено. Использование молотков для открывания ящиков должно быть запрещено; а динамит, порох и гремучую ртуть не следует хранить вместе в одном помещении. Количество динамита на два-три дня потребления можно хранить возле входа в тоннель в запертом ящике, ключи от которого хранятся у прораба работ. Когда динамит замерз, инженер должен предусмотреть устройство, с помощью которого его можно нагреть до температуры, не превышающей 120° F, и категорически запретить оттаивать его на печи или на открытом огне.

Бикфордов шнур.

— Когда при проходке тоннелей используется порох, он поджигается бикфордовым шнуром. Этот шнур, или запал, как его чаще называют, состоит из небольшой веревки из пряжи или хлопка, имеющей в качестве сердечника небольшую непрерывную нить мелкого пороха. Чтобы защитить внешнюю часть запала от влаги, он покрывается дегтем или другим непроницаемым веществом. Эти запалы сделаны настолько хорошо, что горят очень равномерно со скоростью около 1 фута за 20 секунд, поэтому момент взрыва можно довольно точно определить заранее. Бикфордовы шнуры имеют недостаток для тоннельных работ — они горят с неприятным запахом, особенно когда покрыты дегтем, и для устранения этого было изобретено много других. Запалы Рзики и Францля — самые известные из них. Первый имеет много преимуществ, но горит слишком быстро, около 3 футов в секунду, и дорог; второй состоит из небольшой полой веревки, наполненной динамитом.

Бикфордовы шнуры нельзя использовать для взрыва динамита, требуется использование капсюля. Эти капсюли представляют собой небольшие медные цилиндры, содержащие гремучую ртуть. Их можно прикрепить к концу бикфордова шнура, который при поджигании передает искру по своей длине, пока она не достигнет медного цилиндра, где взрывает гремучую ртуть, которая, в свою очередь, взрывает динамит. Взрывы также могут производиться с помощью электричества, что, по сути, является наиболее распространенным и предпочтительным методом, поскольку несколько взрывов можно произвести одновременно, и поскольку ток включается с большого расстояния, что обеспечивает большую безопасность для рабочих.

Метод электрического взрывания, обычно применяемый в Америке, известен как метод последовательного соединения и заключается в одновременном взрывании нескольких зарядов. Концы проводов зачищаются, и провод первой скважины серии скручивается с проводом второй скважины и так далее; наконец, два свободных провода первой и последней скважин соединяются с двумя проводами одного кабеля или с двумя отдельными кабелями, идущими в безопасное место, куда могут отступить люди. Здесь два кабельных провода соединяются зажимными винтами с полюсами батареи или иногда с фрикционной электрической машиной. Ток проходит через провода, создавая искру в каждом разрыве, и таким образом поджигает гремучую ртуть, которая взрывает динамит.

Одновременное взрывание с помощью электричества за счет использования объединенной силы взрывов в один и тот же момент обеспечивает примерно на 10% большую эффективность взрывчатых веществ. Еще одним преимуществом электрического взрывания является то, что в случае осечки любого из зарядов существует небольшая вероятность взрыва впоследствии, и к месту можно подойти сразу, чтобы обнаружить причину.

Забойка.

— Забойка — это материал, помещаемый в скважину над взрывчатым веществом, чтобы предотвратить выход газов взрыва в воздух. Забойка обычно состоит из глины. Когда используется порох, глину необходимо хорошо утрамбовать деревянным инструментом, а между влажной глиной и порохом необходимо поместить бумагу, хлопок или другой сухой материал. Когда используется динамит, нет необходимости утрамбовывать забойку, поскольку внезапность взрыва разрушает скалу до того, как глина может быть выброшена из скважины.

Для производства взрывных работ следует назначить несколько опытных людей. Эти люди должны заблаговременно предупредить о взрыве, чтобы все механизмы и инструменты, которые могут быть повреждены летящими обломками, были убраны в безопасное место, и чтобы рабочие могли укрыться. Когда все будет готово, они должны произвести взрывы, ведя точный подсчет взрывов, чтобы убедиться, что не было осечек, и должны позвать рабочих обратно, когда вся опасность минует. В случае, если какой-либо заряд не взорвался, его следует отметить красной лампой или флагом.

Природа взрывов.

— При поджигании взрывчатых веществ происходит внезапное выделение газов, вызывающее внезапное и сильное повышение давления, обычно сопровождающееся громким звуком. Энергия взрыва распространяется во всех направлениях в форме сферы, центр которой находится в точке взрыва, и волны энергии теряют свою силу по мере увеличения расстояния от этой центральной точки. Энергия взрыва в любой точке сферы энергии, следовательно, обратно пропорциональна расстоянию этой точки от центра взрыва. Вблизи центра взрыва газы обладают достаточной силой, чтобы разрушить силу сцепления и раздробить скалу; далее, по мере потери силы, они только разрушают упругость материала и вызывают трещины; и еще дальше они только производят толчок и не влияют на материал. Внутри сферы энергии, следовательно, есть три другие концентрические сферы: первая, где разрушается сцепление, вторая, где преодолевается упругость, и третья, где толчок передается за счет упругости. Когда последняя сфера находится ниже поверхности, газы остаются внутри скалы; но когда поверхность пересекает любую из двух других сфер, газы взрывают скалу, образуя конус или воронку, вершина которой находится в точке взрыва, и которая называется взрывной воронкой. Чем больше взрывная воронка, тем больше количество раздробленной скалы; и целью инженера, следовательно, всегда должно быть такое регулирование глубины скважины и количества взрывчатого вещества, чтобы обеспечить максимально возможную взрывную воронку в каждом случае. Требуются эксперименты для определения наиболее эффективной глубины скважины и количества используемого взрывчатого вещества, поскольку они различаются в разных видах скальных пород, в зависимости от положения пластов породы и т. д.; но в обычной практике глубина скважин составляет от 2 до 3 футов в забое и верхней части тоннеля при бурении вручную; и от 6 до 8 футов при бурении механическими бурами. В нижней части профиля скважины делаются глубже, от 3 до 4 футов при бурении вручную и более 6 футов при бурении механическими бурами. Расстояние между скважинами должно быть примерно равно диаметру взрывной воронки; как общее правило, предполагается, что основание взрывной воронки имеет диаметр, равный удвоенной глубине скважины. Следующая таблица дает среднее количество скважин, требуемых в каждой части выемки для тоннеля Сен-Готард, в котором забой проходился механическими бурами, в то время как другие части проходились ручными бурами:

NO.

OF

PART.

[5] NAME OF PART. NO. OF

HOLES.

1. Heading 6 to 9

2. Right wing of heading 3 to 5

3. Left wing of heading 3 to 5

4. Shallow trench with core 2

5. Deepening of trench to floor 6 to 9

6. Narrow mass of core to left 3

7. Greater mass of core to left 6 to 9

8. Culvert 1

Total section 30 to 43

[5] Расположение пронумерованных частей показано на рис. 14, стр. 36.

Количество взрывчатых веществ, требуемых для взрывных работ, зависит от качества скальной породы, поскольку сила взрывчатых веществ должна преодолеть сцепление скалы, которое варьируется в зависимости от ее природы и часто сильно отличается в породах одного и того же вида и состава. Количество взрывчатых веществ, требуемое для обеспечения наибольшей эффективности при взрывании любой конкретной скалы, может быть определено экспериментально, но на практике оно обычно выводится по следующим правилам: (1) Взрывная сила прямо пропорциональна весу используемых взрывчатых веществ, и (2) объем взорванной скалы пропорционален кубу глубины скважин. Обычно также предполагается, что взрывчатое вещество должно заполнять не менее одной четверти глубины скважины.

Следующая таблица дает глубину скважин и количество динамита, используемого при каждом продвижении в тоннеле Форт-Джордж, проиллюстрированном на странице 135.

Order of

Firing. Kinds of

Holes. Depth. Charge. Kind of

Dynamite.

Bench

Holes - 1st round

2nd round 4 grading 3′ to 5′ 50 lbs. 40% climax

5 bench 9′ 6″ 45 „ 40% „

6 trimming 3′ to 9′ 42 „ 40% „

Heading

Holes - 3d round 8 center cut 9′ 56 „ 60% „

4th round 8 side 8′ 48 „ 40% „

5th round 6 dry 8′ 36 „ 40% „

ГЛАВА IV. ОБЩИЕ МЕТОДЫ ВЫЕМКИ: ШАХТЫ: КЛАССИФИКАЦИЯ ТОННЕЛЕЙ.

При проходке тоннелей используется ряд различных способов действий, и каждый из наиболее важных из них будет рассмотрен в отдельной главе. Однако существуют определенные характеристики, общие для всех этих методов, и они будут кратко отмечены здесь.

Рис. 14. — Схема, показывающая последовательность выемки для тоннеля Сен-Готард.

Рис. 15. — Схема, показывающая способ определения соответствия выемки профилю сечения.

Разделение сечения.

— С самого начала можно утверждать, что вся площадь сечения тоннеля обычно не вынимается за один раз, а удаляется по частям, и по мере выемки каждой части она тщательно крепится или подпирается. Порядок, в котором вынимаются эти различные части, варьируется в зависимости от метода выемки, и он четко показан для каждого метода в последующих главах. В качестве единственного примера, иллюстрирующего только что сделанное утверждение, выбрано разделение сечения и последовательность выемки, принятые в тоннеле Сен-Готард (рис. 14). Различные части сечения вынимались в пронумерованном порядке; названия, данные каждой части, и количество скважин, используемых при ее обрушении, приведены в таблице на странице 35. Какой бы метод ни использовался, работа всегда начинается с проходки забоя, что является самой сложной и дорогостоящей частью выемки. Все остальные операции, требуемые при обрушении остальной части сечения тоннеля, обычно обозначаются общим термином расширения профиля. Различные операции выемки могут, следовательно, быть классифицированы либо как проходка забоя, либо как расширение профиля.

Проходка забоя.

— Существует значительная путаница среди различных авторитетов относительно точного определения термина «забой» (heading), как он используется в тоннельных работах. Некоторые авторитеты называют небольшой проход, пройденный в верхней части профиля, забоем (heading), а аналогичный проход, пройденный в нижней части профиля, — штольней (drift); другие называют любой проход, пройденный параллельно оси тоннеля, будь то в верхней или нижней части профиля, штольней; а третьи дают название «забой» всем таким проходам. Для ясности терминологии кажется предпочтительным называть проход забоем, когда он расположен в верхней части профиля, и штольней, когда он расположен вблизи нижней части.

Забои и штольни проходятся впереди основной выемки для следующих целей: (1) для правильной фиксации оси тоннеля; (2) чтобы позволить работе идти в разных точках без того, чтобы бригады рабочих мешали друг другу; (3) для обнаружения характера материала, с которым предстоит иметь дело, и быть готовым в любой непредвиденной ситуации преодолеть любые проблемы, вызванные изменением грунта; и (4) для сбора воды. Размеры забоев на практике варьируются в зависимости от характера грунта, через который они проходятся. Как общее правило, они должны быть не менее 7 футов в высоту, чтобы позволить людям работать стоя и оставить место для крепления свода. Ширина должна быть не менее 6 футов, чтобы позволить двум людям работать спереди и дать место для вагонеток с породой, не мешая креплению стен. Обычно забои делают шириной 8 футов. Длина забоев на практике варьируется в зависимости от обстоятельств. В очень длинных тоннелях в твердых скальных породах забои иногда проходятся на 1000–2000 футов вперед, чтобы они могли встретиться как можно скорее и чтобы можно было проверить разбивку осевой линии, а также чтобы можно было атаковать как можно большую площадь скалы одновременно при работе по расширению профиля. В коротких тоннелях, где разбивка осевой линии менее подвержена ошибкам, используются более короткие забои, а в мягких грунтах их делают все короче и короче по мере уменьшения сцепления грунта. Когда материал имеет слишком малое сцепление, чтобы стоять самостоятельно, верх и бока забоя требуют поддержки креплением. Чтобы предотвратить обрушение передней части забоя, забой выработки делается наклонным, причем наклон следует как можно ближе к естественному откосу материала.

Расширение профиля.

— Расширение профиля достигается путем последовательной выемки нескольких небольших призм, параллельных забою и на всю его длину, которые расположены так, что по мере выемки каждой из них поперечное сечение первоначального забоя расширяется. Количество, расположение и последовательность этих призм варьируются в разных методах выемки и объясняются в последующих главах, где описываются эти методы. Чтобы направлять выемку так, чтобы она всегда оставалась в границах принятого профиля, инженер сначала отмечает осевую линию на своде забоя деревянными или металлическими колышками или каким-либо другим подходящим средством, с помощью которого можно подвесить отвес. Затем он чертит в крупном масштабе профиль проектируемого сечения; и, начиная с верхней части вертикальной оси, он проводит горизонтальные линии через равные интервалы, как показано на рис. 15, до тех пор, пока они не пересекут граничные линии профиля, и обозначает на каждой из этих линий расстояние между вертикальной осью и точкой, где она пересекает профиль. Очевидно, что если прораб по выемке разделит свой отвес способом, соответствующим чертежу инженера, а затем измерит горизонтально и под прямым углом к вертикальной осевой плоскости тоннеля расстояние, обозначенное на горизонтальных линиях чертежа, он определит точки на профиле сечения, или, другими словами, установит границы выемки.

Рис. 16. — Полярный транспортир для определения профиля выработанного поперечного сечения.

При выемке грунта для Кротонского акведука для водоснабжения города Нью-Йорка для определения расположения профиля сечения использовался инструмент, называемый полярным транспортиром. Он был изобретен г-ном Альфредом Крейвеном, дивизионным инженером работ. Этот инструмент состоит из кругового диска, градуированного на градусы и установленного на штативе таким образом, что его можно выровнять, а также совершать вертикальное движение и движение вокруг вертикальной оси. Конструкция четко показана на рис. 16. При использовании устройство устанавливается центром на оси тоннеля. Легкая деревянная измерительная рейка, сужающаяся к концу, окованная латунью и градуированная на футы и сотые доли фута, лежит на деревянном рычаге или опоре, которая вращается на лицевой стороне диска, и выдвигается до контакта с поверхностью выработки в тех точках, которые должны быть определены. Если единственная желаемая информация — это то, является ли выемка достаточной или выходит за установленные линии, рейка устанавливается на правильный радиус, и если она проходит свободно, факт установлен. Если желательна точная копия фактического поперечного сечения, рейка приводится в контакт со значимыми точками в поперечном сечении, и записываются углы и расстояния.

Общий метод направления выемки при расширении профиля путем привязки всех точек профиля к вертикальной оси является тем, который обычно используется при проходке тоннелей, и дает хорошие результаты. На практике считается лучше, чтобы выемка несколько превышала профиль, чем чтобы она была меньше его, поскольку пустоты легче заполнить каменной наброской, чем вынимать выступающую скалу во время возведения каменной кладки. В тоннелях, где необходимо крепление, выемка должна быть сделана настолько больше готового сечения, чтобы обеспечить место для него. В тоннелях в мягких грунтах также принято расширять выемку, чтобы учесть вероятную небольшую просадку каменной кладки. Правильный допуск на крепление обычно оставляется на усмотрение прораба по выемке, но допуск на осадку должен быть установлен инженером.

ШАХТЫ.

Шахты — это вертикальные стены или проходы, пройденные вдоль линии тоннеля в одной или нескольких точках между входами, чтобы позволить атаковать выемку тоннеля в нескольких разных точках одновременно, тем самым значительно сокращая время, требуемое для выемки. Шахты могут располагаться непосредственно над центром тоннеля или с одной стороны от него, и, хотя обычно они вертикальны, иногда бывают наклонными. Во время строительства тоннеля шахты служат той же цели, что и входы; следовательно, они должны обеспечивать проход для вынутых материалов, которые должны быть подняты, а также для строительных инструментов и материалов, которые должны быть опущены по ним. Они также должны обеспечивать проход для рабочих, тягловых животных и для труб для вентиляции, воды, сжатого воздуха и т. д. Характер этого движения указывает на требуемые размеры, но они также зависят от используемого метода подъема. Таким образом, когда используется ворот или конный привод, а материалы поднимаются в бадьях малых размеров, размеры шахты также могут быть небольшими; но когда используются паровые лифты, а материал перевозится на вагонетках, заезжающих на платформу лифта, шахте должны быть приданы большие размеры. Обычно части шахты, используемые для разных целей, разделены перегородками. Лифт для рабочих и различные трубы размещаются в одном отделении, в то время как лифт для подъема вынутого материала и опускания строительного материала размещается в другом.

Шахты могут быть временными или постоянными. Они являются временными, если их засыпают после завершения строительства тоннеля, и постоянными, если их оставляют открытыми для обеспечения вентиляции тоннеля. Постоянные шахты обычно делают круглыми и крепят кирпичной кладкой, за исключением случаев проходки в очень твердых и прочных породах. При проходке только для временного использования шахты обычно делают прямоугольными, с большей стороной, расположенной поперек оси тоннеля. Их крепят деревянной крепью. На дне шахты обычно устанавливают насос для сбора воды, просачивающейся со стенок шахты и из выработки тоннеля. Размеры этого насоса, разумеется, будут варьироваться в зависимости от количества поступающей воды, как и производительность насоса для ее откачки на поверхность, так как шахта всегда должна оставаться сухой.

Большинство инженеров предпочитают проходить шахты непосредственно над осевой линией тоннеля. Боковые шахты применяются главным образом французскими инженерами. Основным преимуществом первого метода является большое удобство, которое он обеспечивает для подъема материалов, в то время как преимуществом второго метода является отсутствие помех со стороны шахты для работ внутри тоннеля. Если бы не необходимость устройства боковой галереи, соединяющей боковую шахту с тоннелем, этот метод был бы в целом лучше центральной шахты; однако боковая галерея требует поворота вагонеток под прямым углом, что влечет за собой использование очень крутого поворота или поворотного круга для доступа к забою шахты, и этот недостаток в некоторых случаях может перевешивать преимущества. Невозможно однозначно утверждать, какой из этих способов расположения шахт является лучшим; оба имеют свои достоинства и недостатки, и выбор того или иного способа обычно определяется скорее местными условиями, чем общей превосходством одного из них.

При использовании боковых шахт их иногда делают наклонными, а не вертикальными. Эта форма применяется при небольшой глубине шахты. Благодаря ей значительно упрощается транспортировка, так как вагонетки, загруженные в забое породой, могут быть вывезены непосредственно из шахты к месту отвала, преодолевая наклонную шахту с помощью непрерывных канатов. Короткие галереи, соединяющие боковые шахты с основным тоннелем, обычно имеют меньшее сечение, чем тоннель, но проходятся точно таким же способом. Еще одна форма боковой шахты, иногда используемая, — это шахта, выходящая на поверхность, когда тоннель проходит близко к склону утеса, как это бывает с некоторыми альпийскими железнодорожными тоннелями.

КЛАССИФИКАЦИЯ ТОННЕЛЕЙ.

Тоннели классифицируются различными способами, но наиболее логичным методом представляется группировка по качеству породы, в которой они проходятся; этот метод и будет принят здесь. Согласно этому методу, мы имеем следующую общую классификацию: (1) Тоннели в твердых породах; (2) тоннели в обычных рыхлых грунтах; (3) тоннели в плывунах; (4) тоннели открытого способа работ; и (5) подводные тоннели. Едва ли стоит говорить, что эта классификация, как и все остальные, является лишь произвольной систематизацией, принятой ради порядка и удобства при рассмотрении предмета.

Тоннели в твердых породах.

— Благодаря многочисленным трудосберегающим методам и механизмам, доступным в настоящее время, твердая порода является, пожалуй, самым безопасным и легким из всех материалов для проходки тоннеля. Тоннели в твердых породах могут разрабатываться либо с помощью штольни, либо с помощью верхнего уступа. Разница зависит от того, расположена ли опережающая галерея близко к подошве или к своду сечения.

Тоннели в рыхлых грунтах.

— При проходке тоннелей в рыхлых грунтах было разработано много различных методов, которые можно сгруппировать следующим образом: (1) Тоннели с разработкой свода — бельгийский метод; (2) тоннели с разработкой по периметру — немецкий метод; (3) тоннели с разработкой всего сечения — английский, австрийский и американский методы; (4) тоннели с разработкой двумя независимыми половинами — итальянский метод.

(1) Разработка тоннеля с начала от свода сечения, или бельгийский метод, является наиболее часто применяемым в настоящее время в Европе методом тоннелестроения в рыхлых грунтах. Он заключается в первоначальной разработке свода сечения; затем возводится свод, который опирается на неразработанный грунт; и, наконец, производится разработка нижней части сечения и возведение стен и обратного свода.

(2) При разработке тоннелей по периметру производится кольцевая выработка, точно следующая очертанию профиля сечения, в котором возводится каменная обделка, после чего разрабатывается центральное ядро. В немецком методе с каждой стороны тоннеля внизу проходятся две штольни. Другие штольни проходятся одна над другой с каждой стороны, чтобы расширить или увеличить высоту первых двух, пока весь периметр не будет открыт, за исключением подошвы. Затем каменная обделка возводится снизу вверх с каждой стороны до замка свода, после чего удаляется центральное ядро и возводится обратный свод.

(3) Этот метод, как следует из его названия, заключается в разработке коротких участков всего профиля сечения перед началом возведения каменной кладки. В английском методе сначала возводится обратный свод, затем стены и, наконец, свод. Проходчики и каменщики работают поочередно. Австрийский метод отличается от английского двумя особенностями: длина разрабатываемого участка делается достаточной для того, чтобы проходчики могли продолжать работу впереди каменщиков, а стены и свод возводятся до устройства обратного свода. В американском методе все сечение тоннеля разрабатывается сразу: проходчики и каменщики работают одновременно, но требуется очень большое количество крепи.

(4) Итальянский метод применяется очень редко из-за его дороговизны, но его часто можно использовать там, где другие методы неэффективны. Он заключается в разработке нижней половины сечения, возведении обратного свода и стен, после чего пространство между стенами снова заполняется, за исключением узкого прохода для вагонеток; затем разрабатывается верхняя часть сечения, как в бельгийском методе, и возводится свод; и, наконец, грунт в нижней части удаляется окончательно.

Тоннели в плывунах.

— Тоннели в плывунах проходятся одним из обычных методов для слабых грунтов после осушения воды или же как подводные тоннели.

Тоннели открытого способа работ.

— Тоннели открытого способа работ — это тоннели, прокладываемые на такой малой глубине под поверхностью, что удобнее разработать открытую выемку, возвести в ней каменную обделку тоннеля, а затем засыпать свободное пространство, чем вести работу полностью подземным способом. В плотных грунтах обычный порядок работ заключается в первоначальной разработке двух параллельных траншей для стен, затем удалении ядра и возведении свода и обратного свода. В неустойчивых грунтах, поскольку обратный свод должен быть возведен первым, обычно разрабатывают одну широкую траншею. В редких случаях, когда тоннель требуется в месте, которое подлежит засыпке, каменная кладка возводится как наземное сооружение, которое со временем засыпается.

Подводные тоннели.

— Порядок действий при проходке подводных тоннелей зависит от того, является ли проходимый материал водопроницаемым или водонепроницаемым. В водонепроницаемом материале может быть применен любой из обычных методов тоннелестроения, признанный подходящим. В водопроницаемом материале разработка может осуществляться либо с помощью сжатого воздуха для удержания воды вне выработки, либо с помощью проходческого щита, закрывающего забой, либо комбинацией этих двух методов. Тоннели на дне реки строятся с помощью кессонов, ограждающих отдельные участки работ, путем погружения непрерывного ряда пневматических кессонов и установления сообщения между ними, а также путем погружения секций тоннеля, изготовленных на суше.

Methods of Excavating Tunnels. - In hard rock. - By drifts.

By a heading.

In loose soil. - By upper half:

the arch is built before the side walls. - Belgian method.

By the perimeter: excavated and lined before the central nucleus is removed. - German method.

By whole section:

the lining begins after the whole section is excavated. - English method.

Austrian method.

American method.

By halves:

the lower half is excavated and lined, followed by the work of the upper half. - Italian method.

In quicksand.

Open-cut tunnels. - In resistant soils. - By two lateral narrow trenches.

In loose soils. - By one very large trench.

Built up. - By slices.

Submarine tunnels. - At great depths under the river bed. - By any method.

At small depths under the river bed. - By shield.

By compressed air.

By shield and compressed air.

On the river bed. - By coffer dams.

By pneumatic caissons.

By built-up sections.

Приведенная выше диаграмма в сжатой форме дает классификацию тоннелей в зависимости от проходимых материалов и принятых методов разработки, которые были более подробно описаны в последующих параграфах. Здесь можно еще раз отметить, что это чисто произвольная классификация, служащая главным образом для удобства обсуждения различных классов тоннелей без путаницы.

ГЛАВА V. МЕТОДЫ КРЕПЛЕНИЯ ТОННЕЛЕЙ.

Цель крепления при тоннельных работах состоит в предотвращении обрушения свода и стен выработки до возведения обделки. Поскольку крепление должно воспринимать все давления, возникающие в своде и стенах, которые могут быть весьма значительными и интенсивными в рыхлых грунтах, его проектирование и установка требуют особой тщательности. Применяемый метод крепления зависит от используемого метода разработки; но в любом случае задача состоит не только в том, чтобы сделать его достаточно прочным для противостояния возникающим давлениям, но и сделать это как можно более экономично и с минимальными помехами для работ, которые ведутся одновременно или будут вестись позже. Здесь будут рассмотрены только последние общие проблемы крепления, свойственные всем методам тоннельных работ. Для этого рассмотрения крепление можно классифицировать по материалу, из которого оно построено, на деревянные конструкции и железные конструкции.

Рис. 17. — Соединение элементов крепи вполдерева.

Рис. 18. — Опора круглого деревянного стоики на лежень.

ДЕРЕВЯННОЕ КРЕПЛЕНИЕ.

Дерево почти всегда используется для крепления при тоннельных работах. Пока оно обладает необходимой прочностью, любой вид древесины пригоден для крепления, поскольку, будучи временным, его долговечность имеет второстепенное значение. Предпочтительно выбирать древесину с хорошими упругими свойствами, такую как сосна или ель, так как она постепенно деформируется под нагрузкой, предупреждая инженера о приближении опасности; в то время как дуб и другие прочные породы сопротивляются до последнего момента, а затем внезапно разрушаются под предельной нагрузкой. Кроме того, мягкие породы обычно легче твердых, что является значительным преимуществом при необходимости перемещения в ограниченном пространстве. Обычно используются круглые лесоматериалы, так как они дешевле и вполне удовлетворительны в других отношениях, как и пиломатериалы. В английском и австрийском методах крепления, которые описаны далее, некоторые из основных элементов крепи выполняются из пиломатериалов.

Различные элементы крепи редко соединяются врубками, вместо этого используются клинья для обеспечения необходимого прилегания друг к другу. Там, где применяются врубки, они выполняются в самой простой форме, обычно путем соединения элементов вполдерева, как показано на рис. 17. Рис. 18 показывает форму соединения, используемую, когда круглые стойки несут балки аналогичной формы. Причина, по которой можно в значительной степени отказаться от соединений на врубках, заключается в том, что усилия, которые должны воспринимать элементы крепи, являются либо сжимающими, либо изгибающими, и потому, что элементы настолько коротки, что не требуют сращивания.

Крепление забоя.

— Метод крепления забоя зависит от материала, в котором ведется проходка. В твердой породе крепление может вообще не потребоваться или быть нужным только для предотвращения падения отдельных кусков из свода; тогда устанавливаются вертикальные стойки там, где это необходимо, или горизонтальные балки заделываются в стены, как показано на рис. 19. Эти горизонтальные балки могут использоваться по отдельности в опасных местах или располагаться на расстоянии от 2 до 3 футов друг от друга по всей длине забоя. В последнем случае они обычно несут затяжку из досок, которые могут располагаться с интервалами или вплотную, а в случае очень неустойчивого свода выработки пространство над ними заполняется камнем. Доски, используемые таким образом, обычно называют затяжками. Там, где требуется поддержка как стен, так и свода, для поддержки балок свода используются вертикальные боковые стойки, как показано на рис. 20; и, при необходимости, между этими стойками и стенками выработки вставляются затяжки.

Рис. 19. — Потолочное крепление для сводов тоннелей.

Рис. 20. — Потолочное крепление с опорой на боковые стойки.

Рис. 21. — Рамное крепление с лежнем, боковыми стойками и верхняком.

Рис. 22. — Усиленное рамное крепление для неустойчивых грунтов.

Рамное крепление. — В очень рыхлых грунтах крепления требуют не только свод и стены, но и подошва забоя. В таких случаях применяется рамное крепление, как показано на рис. 21. Оно состоит просто из прямоугольной рамы; сверху находится верхняк, поддерживаемый двумя вертикальными боковыми стойками, опирающимися на лежень, уложенный поперек подошвы забоя. Эти рамы располагаются с небольшими интервалами и несут продольные доски или затяжки. Лежень рамы иногда опускается, если грунт достаточно устойчив, чтобы позволить это, и вместо него для опоры боковых стоек используются деревянные подкладки. В грунтах, где давление достаточно велико, чтобы прогнуть верхняк, применяется вторичная рама, как показано на рис. 22, два наклонных элемента свода которой поддерживают верхняк в центре.

Рис. 23. — Система продольных затяжек для крепления свода.

Рис. 24. — Система поперечных затяжек для крепления свода.

При проходке забоев в мягких грунтах более распространенной практикой является использование наклонных затяжек для поддержки свода. Рис. 23 показывает один из способов выполнения этого. Порядок действий следующий: предполагая, что затяжки a и b установлены на место и поддерживаются рамами A, B, C, как показано, первым шагом в продолжении работы является вставка затяжки c над верхняком рамы C и под прокладку m. Затем начинается разработка сверху, и по мере удаления грунта перед ней затяжка c продвигается вперед до тех пор, пока ее задний конец лишь слегка не нависает над верхняком рамы C. Остальная часть забоя затем разрабатывается почти до переднего конца затяжки c, и устанавливается следующая рама. В результате последовательности этих операций забой продвигается вперед. Затяжки по бокам забоя устанавливаются аналогично затяжкам свода. Второй метод использования наклонных затяжек показан на рис. 24. Здесь затяжки расположены поперечно и поддерживаются показанной конструкцией крепи. Главное преимущество использования этих наклонных затяжек, особенно способом, показанным на рис. 23, заключается в том, что проходчики всегда работают под прикрытием и, таким образом, защищены от падающих обломков или внезапных обрушений.