30.04.12 15:19

ТЕХНОЛОГИЯ НАБРЫЗГБЕТОНА В ТОННЕЛЕСТРОЕНИИ

Инженер испытательной лаборатории ОАО «Тоннельный отряд №44» Яничкин Н.А.

Заместитель начальника испытательной лаборатории ОАО «Тоннельный отряд №44» Малышев Б.Н.

Начальник испытательной лаборатории ОАО «Тоннельный отряд №44», к.т.н. Дьяков К.А.

Заместитель начальника испытательной лаборатории ОАО «Тоннельный отряд №44», к.т.н. Черсков Р.М.

1.История вопроса

Большинство путей сообщения Олимпиады – 2014 в городе Сочи, состоит из эстакад и тоннелей. Неудивительно, что именно Сочи стал полигоном для внедрения современных технологий тоннелестроения, как отечественных, так и импортированных из-за рубежа.

Сочинская стройка ввела в отечественную практику широкое использование новоавстрийской технологии (New Austrian Tunneling Method - NATM) и, в том числе, технологии набрызгбетона (торкретбетона)  запатентованной в 1958 году А. Бруннером, и теоретически обоснованной в работах австрийских ученых: проф. Л. фон Рабцевича (Rabcevicz) и проф. Л. Мюллера (Miiller). Набрызгбетон (а. shotcrete; н. Spritzbeton; ф. gunite, bйton projetй, bйton Torkret; и. hormigyn salpicado, hormigyn а soplete, torcreto) — искусственный материал (бетон), состоящий из смеси цемента, песка, гравия или щебня и, как правило, добавок — ускорителей схватывания и твердения, и получаемый нанесением этой смеси безопалубочным методом. В технической литературе часто употребляются другие названия набрызгбетона: торкретбетон, шприц-бетон, пневмобетон.  Получил распространение в горном деле и подземном строительстве как один из основных материалов для крепления и гидроизоляции выработок, ремонта тоннельных обделок. Применяется в широком диапазоне горно-геологических условий в виде самостоятельной конструкции (в скальных и плотных глинистых грунтах с коэффициентом крепости f>4), а также в сочетании с анкерами или арками с покрытием непосредственно по породе или по сетке, используемой в качестве затяжки (при f=2-4) [1]. На рисунке 1 изображена проходка тоннеля.

Рисунок 1. Проходка тоннеля.

Набрызгбетон, или торкретбетон, не является  относительно новым изобретением. Он известен более восьмидесяти лет. Первые работы с применением набрызгбетона были выполнены в Соединенных Штатах в Аллентауне еще в 1907г. компанией “Cement-Gun”. Первое устройство для напыления сухих материалов при новых строительных работах было изобретено в Пенсильвании в 1907г. Карлом Этаном, который нуждался в машине для набрызга строительного раствора на металлический каркас для сооружения динозавров. Его компания Cement-Gun защитила интересы торговой марки «Gunite» для используемой ими строительной смеси. Этот раствор содержал мелкий инертный заполнитель и весьма высокий процент цемента.

Особенности набрызгбетона, такие как метод его нанесения при креплении горных выработок, специальные материалы, оборудование сделали его важным и необходимым инструментом для современного подземного строительства. В России набрызгбетон впервые применён в 1916 году. Создание в 1942 году в Швейцарии машин для нанесения смеси с наполнителем крупностью до 30 мм и разработка эффективных ускорителей схватывания и твердения смеси способствовали широкому использованию набрызгбетона для возведения как временной, так и постоянной крепи подземных выработок. На рисунке 2 и 3  изображен тоннель, строительство которого ведется по технологии «NATM».

Рисунок 2. Тоннель, строящийся по технологии «NATM»

Рисунок 3. Тоннель, строящийся по технологии «NATM»

С использованием новоавстрийского метода построены сотни километров тоннелей и других подземных сооружений, главным образом в Европе, Японии и США, в том числе десятки сопряжений вертикальных стволов с околоствольными дворами [2,4,5]. Новоавстрийский способ нашел применение в сильнотрещиноватых полускальных, а также в мягких и даже сыпучих породах. Хорошим примером использования этого способа при проходке в песках может служить строительство тоннеля метрополитена в Вене. Этот тоннель проводят в плотных песках на глубине 8-12 м от дневной поверхности. В нашей стране с применением  новоавстрийского способа повысилась культура производства горных работ и уровень научно-технической базы по ведению наблюдений за состоянием породных обнажений и деформаций конструкции крепи.

2. Особенности применения технологии NATM в различных странах

Фирма «КУМАГАИ-ГУМИ» (Япония) разработала способ возведения набрызг-бетонной крепи в подземных сооружениях с пониженным пылеобразованием. Данный способ может применяться для «сухого» и для «мокрого» набрызгбетонирования. Суть этого метода заключается в применении специальной сухой обеспыливающей добавки, которая вводится в сухую бетонную смесь. Пылеобразование при этом составляет 5 мг/м3 и менее. В настоящее время этот метод беспыльного набрызгбетонирования применяется в Японии на семи объектах подземного строительства [2].

Фирма «ТЕЙСЕЙ» (Япония) разработала высокопроизводительный (6…12 м3/час) автоматизированный комплекс для приготовления и нанесения набрызгбетонной смеси с дистанционно управляемым соплом на стреле экскаватора. Этот комплекс был успешно применен при строительстве ряда железнодорожных тоннелей. Основой технологической схемы являются две параллельные технологические линии, объединенные операцией смешивания SEC-раствора на стадии приготовления бетонной смеси. В отчете, составленном в 1999 году Японской ассоциацией по строительству тоннелей «Japan Tunnelling Assotiation», приводятся сведения о строительстве тоннелей в разных странах, где для устройства постоянной обделки применялся метод набрызгбетонирования [13].

В ДонНТУ (Украина) ведутся исследования и разработка метода набрызгбетонирования, сводящего к минимуму все вредные факторы одновременно. Для этой цели исследуется нетрадиционная взрывная технология набрызга. Этот способ защищен авторским свидетельством на изобретение и основан на нанесении бетонной смеси на поверхность горной породы с помощью энергии взрыва. При этом одновременно производится воздействие ударной волны на компоненты бетонной смеси и стенки выработки, что должно влиять на образование короткоживущих активных центров, которые повышают гидратационные свойства цемента и адгезию бетона с породой. Разрабатываемый способ исключает нахождение персонала в местах производства работ и практически исключает все перечисленные вредные воздействия на человека. Качество крепи при такой технологии повышается  [11].

В США в последние годы технологию NАТМ в значительной степени модифицировали, сохранив основные принципы, но приспособив ее к условиям подземного строительства Северной Америки. Для модифицированной «Североамериканской технологии» характерно более интенсивное применение для разработки породы тоннелепроходческих машин со стреловым рабочим органом, обладающих достаточно высокой производительностью и не требующих привлечения ручного труда. Кроме того, в США часто устраивают дополнительный дренаж и инъекционное закрепление слабоустойчивых грунтов.

Фирма «ВEKAERT» (Бельгия) разработала технологию получения бетона DRAMIX, армированного стальными волокнами для применения в строительстве различных сооружений, к которым предъявляются повышенные требования по прочности, износостойкости, ударной прочности, в том числе при возведении крепей и обделок способом набрызгбетонирования [12].

Несколько видоизмененную технологию NАТМ используют в Норвегии [12]. В трещиноватых скальных породах ее применяют в сочетании с буровзрывными работами, а в мягких породах с механизированной разработкой. Главная особенность «Норвежского метода» - крепление выработки анкерами и дисперсно-армированным набрызгбетоном,  наносимым «мокрым» способом.  Во многих странах западной Европы, Азии и в Америке NАТМ обогащен различными модификациями и применяется практически в любых инженерно-геологических условиях и на любой глубине.

 

3.Особенность метода. Способы нанесения набрызгбетона

Особенность метода NATM заключается в круглосуточном мониторинге деформаций временной крепи тоннеля и горного массива. Ее применение позволяет повысить скорость проходки верхнего уступа тоннеля до 150 м в месяц против 30–60 метров при проходке обычным способом. Разделяют два способа  нанесения набрызгбетона «мокрый» и «сухой» [2].

При сухом способе в специальную машину загружают сухую смесь, выдуваемой сжатым воздухом по шлангу в сопло, перед вылетом смесь смешивается с водой, подводимой к соплу по другому шлангу; при мокром — готовая смесь, загружаемая в герметически закрытый резервуар, наносится на поверхность под действием сжатого воздуха.  Комплект оборудования для торкретирования  по «сухому» способу нанесения состоит из цемент-пушки, компрессора, бака для воды, воздушных и материальных шлангов и сопла. Сухую цементно-песчаную смесь соответствующего состава, приготовленную в смесителе, загружают в цемент-пушку. Под давлением сжатого воздуха 2—3,5 кг/см2 смесь подается по материальному шлангу в сопло. Одновременно в сопло поступает ускоритель твердения и вода из бака, давление которой должно быть на 1—1,5 кгс/см2 выше, чем в цемент-пушке. Увлажненная смесь, вылетая из сопла со скоростью до 100 м/с, ударяется о торкретируемую поверхность и прилипает к ней. В результате образуется плотный и прочный слой торкрет-бетона. Некоторая часть цементно-песчаной смеси отскакивает от поверхности и падает у места торкретирования. Эти потери называют отскоком.

Применение мокрого способа набрызгбетонирования в сравнении с сухим способом является доминирующим уже в настоящее время с четко выраженной тенденцией дальнейшего роста. Разработка современного способа «мокрого» набрызгбетонирования, в частности, расширила возможности подземного строительства [3]. Достоинствами мокрого способа набрызгбетонирования  по сравнению с «сухим» в первую очередь заключаются в меньшем отскоке. Потери обычно не превышают 5-10% при использовании надлежащего оборудования и обученного персонала. Эти цифры также применимы и в случае нанесения армированного набрызгбетона. Кроме того, преимуществами «мокрого» способа по сравнению с «сухим» являются:

- улучшение рабочей обстановки. Возникает меньше проблем с образованием пыли;

- нанесение более толстых слоев вследствие эффективного употребления добавляемых материалов;

- контролируемое дозирование воды (неизменное, определенное водоцементное отношение);

- улучшенное сцепление;

- большая производительность, общая экономичность намного выше;

- возможность использования стальных фибр и новых передовых добавок.

Недостатки набрызгбетона при  «сухом» способе нанесения: высокая концентрация пыли, потери материала при "отскоке" (до 30%), повышенный расход цемента и др. Методом мокрого набрызга с использованием автоматизированных установок одним оператором можно достигнуть средней производительности 60-100 м3 за 8 часовую смену. При этом отскок не будет превышать 10% [1,2,4]. Сравнивая сухой и мокрый способы, можно прийти к выводу, что сухой способ целесообразно применять для выполнения работ небольшого объема (например при ремонте) и в особых случаях, когда существуют длинные дистанции подачи смеси и частые перерывы в работе. Способ мокрого набрызга целесообразно применять во всех остальных случаях.

Проекты, которые ранее невозможно было осуществить, стали в настоящее время реальными. С использованием набрызгбетона подземные сооружения теперь можно строить там, где они необходимы, независимо от горно-геологических условий. Использование «мокрого» способа набрызгбетонирования началось после Второй Мировой Войны. Схожие с обычным бетоном смеси приготовляются сразу с необходимым содержанием воды. Смеси нагнетаются соответствующими машинами через шланги. Сжатый воздух для набрызга добавляется у сопла и обеспечивает распыление бетонной смеси. Наряду с традиционными методами укладки бетона, набрызгбетон также обладает своими особенными требованиями к качеству смеси в процессе бетонирования. В то же время, набрызгбетон должен отвечать всем общепринятым технологическим требованиям к бетонной смеси, таким как водоцементное соотношение, количество цемента, количество добавки, точная консистенция и последующий уход. Способ торкретирования заключается в нанесении на вертикальные, наклонные и горизонтальные поверхности одного или нескольких защитных слоев цементно-песчаного раствора (торкрета) при помощи цемент-пушки или бетонной смеси, нагнетаемой бетон-шприц-машиной. Этот способ применяют для укрепления поверхностей тонкостенных конструкций в односторонней опалубке (куполов, сводов-оболочек, резервуаров), для нанесения плотного и водонепроницаемого защитного слоя подземных сооружений, а также для замоноличивания швов, исправления дефектов в бетоне, при ремонтно-восстановительных работах и для усиления железобетонных конструкций.

На рисунке 4 изображена технологическая схема сооружения тоннеля новоавстрийским методом.

Рисунок 4. Технологическая схема сооружения тоннеля новоавстрийским методом:

1 — буровой портальный агрегат; 2 — анкеры; 3 — сетка; 4 — слой набрызгбетона; 5 — установка для нанесения набрызгбетона, смонтированная на автомобиле; 6 — тележка с измерительными приборами; 7 — механизированная опалубка; 8 — постоянная обделка тоннеля [6].

Проф. Л. Мюллером сформулированы основные принципы новоавстрийского метода крепления выработок:

1. Породный массив вокруг подземной выработки является, по существу, несущим элементом крепи, поэтому одной из главных задач является всемерное сохранение естественной прочности массива;

2. Решающим фактором для устойчивости конструкции является технология проходческих работ, так как ею определяется период обнаженного состояния поверхности породы;

3. Для предотвращения разрушающих концентраций напряжений в породе следует избегать образования острых углов и стремиться к сглаживанию профиля выработки;

4. Система массива и временной крепи обязательно должна достигнуть состояния устойчивости до возведения постоянной обделки, это повышает коэффициент надежности конструкции;

5. Временная крепь должна быть рассчитана на обеспечение устойчивого состояния; анкерную крепь можно считать за элемент постоянной конструкции только при условии надежной защиты от коррозии;

6. Гидростатическое давление в породном массиве и фильтрация подземных вод должны быть исключены путем устройства дренажных каналов [6,7].

4. Преимущества технологии набрызгбетонирования

Применение набрызгбетона позволяет механизировать производство работ и осуществить бетонирование без опалубки. Технология набрызгбетонирования позволила снизить расход бетона по сравнению с монолитным бетоном и уменьшить толщину его нанесения при тех же прочностных характеристиках. Подача бетона под давлением существенно облегчает проведение строительно-отделочных работ, таких как: заделывание неплотностей стыковки элементов строительных конструкций. А также позволяет производить следующие операции: строительство резервуаров; емкостей, башен, в том числе питьевого водоснабжения; гидроизоляция гидротехнических сооружений; строительство элементов гидротехнических сооружений; реконструкция железнодорожных и автомобильных туннелей; окончательная отделка штолен, туннелей, пещер, шахт; крепление строительных котлованов; крепление скальных стен и откосов; подведение контр-опор и фундаментов под сооружения; обделка и поверхностные покрытия при надземном строительстве; усиление конструкций из кладки и бетона; усиление стальных конструкций; защитные работы в подземных сооружениях; огнеупорная облицовка; антикоррозионная защита  стальных конструкций; восстановление защитного слоя бетона; нанесение износоустойчивых покрытий, восстановление профилей; реконструкция армированных перекрытий; устранение дефектов строительства бетонных сооружений; ремонт туннельных покрытий и обделок; ремонт мостов и подпорных стен; ремонт гидротехнических сооружений. Все это говорит об универсальности метода, и возможности его применения в труднодоступных местах. Набрызгбетон имеет плотную структуру, высокую прочность, водонепроницаем и морозостойкость. Новоавстрийский метод дает возможность скоростного и экономичного сооружения тоннелей, поскольку применение податливой крепи и оптимальное использование естественной устойчивости массива позволяют уменьшить металлоемкость временной крепи и толщину постоянной обделки, которую рассчитывают с учетом восприятия горного давления временной податливой крепью.

Использование «NАТМ» позволяет:

- увеличить диапазон применения горнопроходческого способа работ в сложных инженерно-геологических условиях, в том числе в слабых грунтах, в которых затруднено применение традиционного горного способа производства работ;

- увеличить несущую способность крепи без ее утолщения за счет установки усиливающих элементов (арок, анкеров);

- возводить подземные сооружения практически любой формы и размеров поперечного сечения;

- производить разработку породы как буровзрывным способом, так и механизированными способами с применением экскаваторов и различных тоннелепроходческих машин;

- сочетать проходку со специальными способами упрочнения грунтов осушением, закреплением инъекционными методами, замораживанием и др.;

- обеспечивать значительное снижение стоимости строительства;

- достигнуть большей гибкости в разработке графика и планировании производства работ в проектах подземного строительства;

- увеличить скорость производства работ при замене армирования сварными сетками на армирование стальной или полимерной фиброй;

- осуществлять как временное крепление горных выработок, так и постоянные обделки высокого качества.

Методу «NATM» присущи и недостатки, например: ограниченность толщины слоя, наносимого за один проход (они могут быть устранены за счет использования новых современных смесей обладающих высокой адгезионной способностью); ограниченная  область применения Новоавстрийского метода на участках в зоне водоносных горизонтов, так как организация дренажной системы в стволе требует больших материальных затрат; предъявление повышенных требований к качеству заполнителей и самой бетонной смеси.

 

5. Подбор состава набрызгбетонной смеси

В состав набрызгбетонной смеси входят следующие компоненты: минеральное вяжущее, заполнители, химические добавки и вода затворения, а в отдельных случаях микрокремнезем, пигменты и фибра. Рассмотрим данные компоненты в отдельности.

Для торкретирования применяют высокомарочные цементы они могут быть следующих типов: портландцемент и шлакопортландцемент по ГОСТ 10178; сульфатостойкий цемент по ГОСТ 22266; белый портландцемент по ГОСТ 965; цветной портландцемент по ГОСТ 15825. В ходе многократных производственных испытаний было выявлено, что предпочтительно использовать бездобавочные цементы с повышенным  содержанием алюминатов, что приводит к быстрому набору прочности при смешивании с бесщелочными ускорителями твердения  последнего поколения AFA.

В качестве заполнителей для набрызгбетона могут быть использованы: песок по ГОСТ 8736, ГОСТ 26633 и ГОСТ 9757; щебень или гравий по ГОСТ 8267; легкие заполнители по ГОСТ 9757. Исходя из опыта работ песок и щебень используемые для приготовления смеси должны быть природными (окатанными), модуль крупности песка  не менее 2-х, предельное содержание глинистых частиц – до 0,5%. содержание зерен фракций меньше 0,14 мм – до 10%, превышение этих показателей влияет на водопотребность и ведет к снижению прочности набрызгбетона. Максимальный размер крупных частиц заполнителей следует назначать с учетом технических характеристик используемого оборудования и толщины наносимого торкрет-бетонного покрытия: В покрытиях толщиной до 5 см максимальный размер зерен крупного заполнителя не должен превышать 10 мм. Применение фракций заполнителя на основе дробленных материалов не рекомендуется, поскольку форма их поверхности приводит к усложнению технологического процесса и транспортирования свежеприготовленной смеси в трубопроводе (в шлангах) торкрет установки, обусловливает ускоренный износ резиновых уплотнителей и самих трубопроводов, сокращая срок их службы, увеличивает опасность последствий при рикошете в процессе распыления торкрет-бетонной смеси. Заполнители для получения торкрет-бетонной смеси должны быть фракционированными и мытыми.

Для достижения необходимых характеристик могут вводиться химические и минеральные добавки соответствующие требованиям ГОСТ 24211, в том числе: зола уноса по ГОСТ 25818 и ГОСТ 25592; микрокремнезем по ТУ 7-249533-01-90; кальмафлекс по ТУ 5716-001-18332866-03.

Все добавки (пластификаторы, ускорители твердения, стабилизирующие и т.д.) должны соответствовать требованиям технических условий, по которым они выпускаются.

Металлическая и неметаллическая фибра, используемая в фиброторкретбетоне должна соответствовать требованиям нормативных документов (ГОСТ или ТУ), по которым она выпускается. В качестве армирующих компонентов набрызгфибробетонной смеси следует применять, как правило, стальные фибры, получаемые из проволоки, листа, сляба, расплава. Стальные фибры могут иметь круглую форму или другую конфигурацию поперечного сечения с приведенным диаметром  df  в пределах не более 0,4-0,6 мм и профилем (периодическим, волнистым, деформированным по концам или иным по длине, улучшающим анкеровку в набрызгбетоне). При технико-экономическом обосновании для получения набрызгфибробетонной смеси  могут использоваться неметаллические фибры преимущественно полипропиленовые, стеклянные.

Дополнительными преимуществами, достигаемыми использованием стальных фибр в набрызгбетоне, являются: повышенная устойчивость против различного вида динамических воздействий; повышенная устойчивость на истирание и эрозию; повышенная водонепроницаемость и морозостойкость из-за предотвращения усадочных трещин; повышенное сцепление в сравнении с не армированным или армированным сварными сетками набрызгбетоном [8]. Стальные фибры не целесообразно использовать при сухом способе набрызга из-за высокого отскока фибр (>50%).

Микросилика (микрокремнезем) считается весьма реакционно-способным материалом. Она обладает способностью объединять инородные ионы, особенно щелочные. Особые преимущества набрызгбетона с микросиликой: увеличивается пластичность смеси и снижается ее сегрегация; понижается истирание деталей и шлангов; улучшается сцепление свежего бетона и, следовательно, снижается расход ускорителя, что позитивно отражается на конечной прочности и твердении бетона;  увеличивается сцепление с различными горными породами и между слоями набрызгбетона; увеличивается прочность самого бетона; возрастает стойкость к щелочным заполнителям;  снижается водонепроницаемость набрызгбетона; снижается величина отскока; повышается сульфатостойкость.

Вода для приготовления торкретбетона должна соответствовать требованиям ГОСТ 23732. Определение количества воды затворения при мокром методе торкретирования следует производить с учетом естественной влажности используемого заполнителя.

Все материалы применяемые при изготовлении торкрет-бетона должны иметь санитарно-эпидемиологические заключения, а также желательно наличие сертификатов соответствия системы ГОСТ Р.

Набрызгбетон должен соответствовать требованиям ГОСТ 26633, МГСН 2.09-03, ТУ 5745-001-16216892-06.  Ответственность за использование и подбор состава торкрет-бетонной смеси, отвечающей нормируемым требованиям, проектной и технологической документации лежит на производителе торкрет-бетонных работ. Выбор состава торкрет-бетонной смеси, в том числе в части заполнителей, воды и любых добавок или армирующего волокна, должен обеспечивать достижение всех технологических качеств и эксплуатационных характеристик, заданных для свежеуложенного и затвердевшего торкрет-бетона.

Для набрызгбетона установлены следующие классы прочности на сжатие: B25, В 30, В35, В40, В45, В50, В55, В60; на растяжение при изгибе: Btb 3,6; Btb 4,0; Btb 4,4; Btb 4,8; Btb 5,2; Btb5,6; Btb 6,0.

Прочность сцепления набрызгбетона с основанием, на которое он наносится, должна соответствовать требованиям таблицы №1 , в которой указаны минимальные значения прочности сцепления с бетонной поверхностью и скальным грунтом в конструкционном и не конструкционном исполнении.

 

Таблица №1

 

Вид адгезионного соединения

 

 

 

Вид обрабатываемой поверхности;

минимальная прочность, Мпа

 

бетон

Скальный грунт

конструкционное

2,0

0,5

не конструкционное

1,0

0,1

Состав смеси для «мокрого» набрызгбетонирования.

- количество цемента: 250- 600 кг, в зависимости от заданного класса.

- при «мокром» набрызге  водоцементное отношение должно всегда быть в пределах 0,4-0,5.

- отношение щебня песка в смеси должно быть в пределах от 10/90 до 30/70 в % по массе.

- максимальное содержание микрокремнезема 15% , золы 15-30% от веса цемента.

Температура компонентов набрызг-бетонной смеси должна быть не ниже 5 0С и не выше 35 0С. При низкой температуре  происходит замедление набора прочности.

Зерновой состав смеси определяется расчетом в строительной лаборатории

Следует учитывать содержание влаги (воды) в заполнителях. Чем ниже водоцементное отношение, тем лучше достигнутые результаты:

- более быстрое схватывание;

- более высокая начальная прочность;

- более низкое содержание добавок;

- возможность нанесения более толстых слоев по своду.

В случае, когда водоцементное отношение >0,5 может наблюдаться:

- более медленное схватывание;

- снижение начальной прочности;

- возникновение трудностей при нанесении слоев толщины более 5-7см: бетон не имеет достаточного сцепления с поверхностью горных выработок.

6.Технология нанесения набрызгбетонной смеси

До начала работ устанавливают арматуру, закрепляя ее от смещений, и защитные щитки на прилежащих к торкретируемым площадям сооружениях. Регулируют подачу воды и величину давления воздуха в машине пробным нанесением смеси на переносной щит. Для обеспечения лучшего сцепления слоя торкрета с бетоном на гладких поверхностях делают надсечку. Перед торкретированием проверяют исправность всех механизмов, чистоту и соединения шлангов. Для обеспечения хорошего сцепления раствора или бетонной смеси с торкретируемой поверхностью, с последней удаляют крупные неровности, заполняют большие вывалы породы в скальных выработках, насекают бетонную поверхность пневматическими отбойными молотками,  очищают и промывают водой под давлением.

В технологической схеме возведения временной крепи  предусматривается использование самоходной установки для нанесения набрызгбетона мокрым способом, которая представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 . Самоходная установка для нанесения набрызгбетонной смеси.

На рисунке 7 и 8 представляется нанесение торкрет бетона «мокрым» способом по «Новоавстрийской технологии».

Рисунок 7. Нанесение торкрет бетона.

Рисунок 8. Нанесение торкрет бетона.

Управление соплом можно осуществлять как со стационарного пульта, установленного на шасси машины, так и посредством дистанционного кабельного или радиоуправляемого. Производительность современных бетононасосных  установок  составляет около 30 м3/ч. Для анкерного крепления выработки используются самоходные установки, которые способны в автоматическом режиме выполнять бурение шпуров, нагнетание раствора, установку анкерных болтов различной длины (рисунок 9).

Рисунок 9.  Установка для бурение шпуров.

На вертикальные, наклонные и криволинейные поверхности раствор или бетонную смесь наносят снизу вверх. Толщину наносимого слоя контролируют по маякам. При нанесении нескольких слоев каждый последующий слой наносят с таким интервалом, чтобы под действием свежей смеси не разрушался предыдущий слой. Максимально допускаемый перерыв не должен превышать времени схватывания цемента, чтобы обеспечить втапливание свежего слоя в предыдущий и хорошее сцепление между ними. Величины допускаемых перерывов перед нанесением очередных смежных слоев устанавливает строительная лаборатория. Если поверхность конструкции большая и необходимо устройство швов,  то работы выполняют участками между швами послойно на всю проектную толщину,  а стыки отдельных слоев располагают в разбежку (с небольшим смещением один относительно другого), образуя ступенчатый рабочий шов. Толщина слоев   одновременно наносимых при торкретировании  должна быть не более 15 мм при нанесении раствора на горизонтальные потолочные (снизу вверх) или вертикальные не армированные поверхности,  25 мм - на вертикальные армированные поверхности,  50 мм при нанесении бетонных смесей на горизонтальные потолочные поверхности (снизу вверх),  75 мм - на вертикальные поверхности. При нанесении растворных или бетонных смесей на горизонтальные поверхности сверху вниз толщина слоя не ограничивается [9,10].

Процесс формирования слоя набрызгбетона состоит: из создания на покрываемой поверхности пластичного вяжущего слоя из мелких частиц и введения в этот слой крупных зерен за счет сил сжатого воздуха, которые удерживаются на ней силами поверхностного натяжения воды. Согласно расчетам для кварцевого песка, размер частиц, удерживаемых силой поверхностного натяжения воды, не превышает 0,1-0,15мм.  В смеси набрызг-бетонной струи такими частицами являются зерна цемента и пылевидной фракции заполнителя, из которых получается пластичный слой. Крупные зерна заполнителя, проникая в этот слой, гасят скорость и остаются в нем. Регулируя подачу воды, для затворения смеси можно получить такую степень подвижности пластичного слоя, что зерна заполнителя при определенном запасе кинетической энергии, преодолевают силы сопротивления, проникают в слой на некоторую глубину, и образуют плотный монолит бетона. Поскольку в процессе набрызга часть воды затворения из смеси удаляется вместе со сжатым воздухом, готовят смесь с подвижностью примерно на 5 см выше требуемой. Толщина слоя наращивания набрызг-бетона зависит от угла наклона сопла к бетонируемой поверхности. При расположении сопла под некоторым углом от нормали к бетонируемой поверхности, величина ударного импульса в момент столкновения частиц смеси с бетонируемой поверхностью уменьшается пропорционально величине угла наклона сопла, вследствие эффекта рикошета. Многолетней практикой установлено, что при бетонировании вертикальных и потолочных поверхностей минимальные потери материала в отскок и максимальная прочность набрызгбетона достигается при направлении струи бетона из сопла перпендикулярно обрабатываемой поверхности [2].

Отличительная особенность эжекторного узла состоит в том, что сжатый воздух, проводимый к соплу, делиться на два потока один из которых - центральный через ось сопла, а второй - концентрический направляется по периметру оси сопла специальными отверстиями, что позволяет увеличить живое сечение сопла, а следовательно, и увеличить разряжение в смесительной камере благодаря большому объему, захватываемому воздушной струей, поэтому производительность машины увеличивается. При этом следует отметить, что существенного падения скорости воздуха не происходит, что позволяет сохранить неизменным такой важный показатель как дальность транспортирования.

Торкретбетон в период схватывания и твердения должен быть защищен от замораживания, высыхания, механических повреждений и химических воздействий: в течение 6 ч – при применении специальных быстротвердеющих, расширяющихся цементов, а также добавок-ускорителей схватывания и в течение 3 сут – при использовании обычных цементов без добавок-ускорителей.

Покрытие из торкретбетона по достижении 70 %-ной проектной прочности (через 2-3 суток после нанесения) необходимо увлажнять распыленной струей воды. Режим увлажнения назначают в зависимости от температуры воздуха. При температуре воздуха ниже +5оС увлажнять торкрет не следует. При относительной влажности воздуха более 90 % можно смачивать торкрет один раз в сутки. Вода, используемая для поливки торкрета, должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к воде, применяемой для затворения торкретбетонной смеси. Предохранять поверхность торкрета от высыхания можно также, покрывая ее пленкообразующими составами (например:  этинолевым лаком методом распыления). В случае необходимости исправления дефектных участков заторкретированной поверхности (оплывы, отслоения выкрашивания, мелкие отдельные трещины) вырубание торкрета следует начинать не раньше, чем он достигнет 50 % проектной прочности. Срубать следует лишь тот слой торкрета, который отслаивается от предыдущего или непосредственно от исходной поверхности. Срубание необходимо вести осторожно, чтобы не повредить соседние участки хорошо приставшего торкрета. Дефектные места после вырубки очищают, промывают струей распыленной воды и вновь торкретируют.

7. Химические добавки для набрызгбетона и методы испытания ранней прочности

При использовании «Новоавстрийского метода» в тоннелестроении главным образом необходимо обеспечить качество набрызгбетонной смеси. При использовании «мокрого» способа, набрызг-бетонная смесь должна быть обеспечена, необходимой подвижностью, достаточной сохраняемостью, однородностью, которая обеспечивается суперпластификаторами последнего поколения. Для выполнения качественной работы по нанесению набрызбетона, необходимо использование  ускорителя твердения, который бы  отвечал всем требуемым нормам предъявляемым к ускорителям последнего поколения, включая экологические. Виды пластификаторов и ускорителей, по-разному влияют, как на саму смесь, так и на набор прочности бетона. Дозировка пластификатора влияет на увеличение или уменьшение подвижности смеси, изменение сроков схватывания, и водоцементное отношение.  В зависимости от изменения количества ускорителя схватывания меняется ранний и дальнейший набор прочности  набрызгбетона, что является важнейшим фактором в процессе его нанесения. Опытным путем выявляются оптимальные дозировки ускорителя, обеспечивающие быстрый набор ранней прочности, уменьшающий в свою очередь потери при отскоке. При увеличении  в/ц  увеличивается подвижность смеси, что приводит к увеличению расхода ускорителя схватывания, которая  приводит к экономическим затратам и снижению конечной прочности, причем при увеличении  в/ц > 0,46 уменьшается адгезионные свойства смеси, что может привести к оползанию или обвалам свеженанесенного набразгбетона.

Среди активно действующих в России фирм производителей химических добавок для набрызгбетона можно выделить следующие: BASF; SICA; Полипласт; ADING; MC; VNT group. Продукция данных производителей  предлагается в основном парно ( пластификатор + ускоритель). Рекомендуемые дозировки пластификаторов и ускорителей фирм производителей представлены в таблице 2 и 3, соответственно.

Таблица 2. Рекомендуемые дозировки пластификаторов

Наименование фирмы производителя

Наименование пластификатора

Плотность, гр/см3

Дозировка, % (по  жидкому)

BASF

Glenium SKY 510

1,04-1,08

0,2-2,5

SICA

ViscoCrete SC-305

1,1

0,5-1,5

Полипласт

Линамикс ПК

1,06-1,09

0,25-0,45

ADING

Суперфлуид-21М

1,035

0,25-0,8

MC

Muraplast FK 63

1,04-1,08

0,2-2,5

VNT group

Gecenium 305 (FM)

1,07

0,2-2,0

 

Таблица 3. Рекомендуемые дозировки ускорителей

Наименование фирмы производителя

Наименование ускорителя

Плотность, гр/см3

Дозировка, %

BASF

Meyco SA 167

1,44-1,5

1,5-10

SICA

Sigunit L53AF

1,45

3-7

Полипласт

Реламикс Торкрет

1,41-1,43

2-10

ADING

Ингунит-Т ЕКО

1,45

2-6

MC

Rapid 650

1,35-1,40

4-6

VNT group

Gecenium L83 SBE

1,45

4-8

 

Различные виды ускорителей по-разному влияют на скорость набора прочности на ранних этапах твердения. При строительстве тоннелей нередко требуется укладка толстых слоёв набрызгбетона на потолочные перекрытия или вертикальные стены, что требует быстрого набора прочности. В зависимости от условий нанесения набрызгбетона выделяется 3 класса по скорости набора прочности. Определение  распространённых классов ранней прочности даётся в стандарте EN 14587 (см. график №2) и в руководстве ÖVBB «Торкретбетон».

График 2 Классы по скорости набора прочности торкретбетоном на ранних сроках твердения:

Важное примечание: За последние годы этот график претерпел незначительные изменения. Используйте график, утверждённый в рамках договора на конкретные строительные работы.

Ниже даётся выдержка из текущего проекта руководства  ÖVBB  «Торкретбетона » (по состоянию на 11/2008) с описанием классов ранней прочности, а также требуемых испытаний:

Развитие достаточной  прочности в течение первых нескольких минут является необходимым условием нанесения на потолочные перекрытия. Этот процесс также оказывает значительное влияние на количество образуемой пыли и упругий прогиб. Торкретбетон класса J1, подходит для нанесения в виде тонких слоёв на сухую основу без соблюдения специальных требованиям к распределению нагрузки и выгодно отличается низким уровнем пыли и упругого прогиба.

При необходимости в нанесении торкретбетона толстыми слоями (включая потолочные перекрытия) с высокой интенсивностью подачи, развитие прочности должно соответствовать классу J2 . Аналогичное требование распространяется на места просачивания воды и задачи, предполагающие немедленное приложение нагрузки при последующих действиях (например, сверление анкерных отверстий, забивании стальных креплений изоляции и подвергании взрывным вибрациям).

Соблюдение требований класса J2 также необходимо в случае интенсивного формирования нагрузки под давлением породы, грунта или гравитационных нагрузок. Выбор требуемого диапазона также зависит от степени использования  торкретбетона на ранних сроках твердения.

Из-за повышенного  образования  пыли и возникновения упругого прогиба использовать торкретбетон класса J3 следует только в особых обстоятельствах (например, сильное водопроявление, особые требования к несущей нагрузке, высокая скорость проходки).

Испытания и измерения выполняются с фиксированием времени в период от 2 минут до 3 часов в соответствии с нарастанием прочности торкретбетона для получения максимально непрерывного графика нарастания прочности [14,16] .

Начальная и ранняя прочность торкретбетона (до 24 часов) определяется непрерывными методами, с помощью пенетрометра и динамическим вдавливанием тарированного стержня.  Оба метода определяют прочность на сжатие по проникновению иглы.

Для полного измерения прочности на сжатие торкретбетона требуется три метода, которые представлены в таблице:

Таблица 4. Методы измерения прочности торкретбетона

Стадия

Метод

Инструмент

Прочность

Время

Начальная прочность

проникновение иглы

Penetrometer

до 1,5 Мпа

0 – 3 часа

Ранняя прочность

динамическое вдавливание штыря

Hilti DX 450-SCT

3 – 20 Мпа

3 – 24 часа

Конечная прочность

высверливание образца

Испытательная машина (пресс)

5 – 100 МПа

1 – 28 суток

Метод проникновения иглы.

Результаты этого метода рассчитываются в зависимости от силы, которая требуется для  вдавливания в исследуемую поверхность  иглы  Ø 3мм на глубину 15мм. На конце иглы сделана фаска 60˚ . Этот метод пригоден для измерения вручную прочности на сжатие до 1,5 МПа.

Динамическое вдавливание тарированного стержня ( HILTI ).

Значения прочности на сжатие от 3  до 20 Мпа можно определить выстреливанием  (динамическим вдавливанием) стержня/дюбеля с резьбой на конце, в поверхность. Глубина проникновения  (hnom)  преобразуется в прочность на сжатие. Необходимо сделать не менее 5 замеров. Инструмент для  этого метода это строительный пистолет  Hilti DX 450-SCT.

Высверливание цилиндрического образца.

Конечная прочность определяется при помощи образца, высверленного кольцевым сверлом. [15,16] .

 

8. Экономические аспекты применения набрызгбетона

Оценка технических результатов и калькуляция себестоимости различных компонентов, влияющих на окончательную цену работ по набрызгбетонированию в крупных подземных проектах представляется весьма сложной задачей. Многие из этих затрат упускаются или недооцениваются со стороны подрядчиков. Затраты можно суммировать следующим образом:

- стоимость набрызг-бетонной смеси за м3;

- затраты на работы по нанесению набрызгбетона с учетом отскока и других потерь (здесь цена 1м3 может на 100% превышать цену доставленного бетона);

- расходы при сборе, погрузке, перевозе и разгрузке материала отскока с места ведения работ в соответствующий пункт, разрешенный и одобренный властями;

- затраты на возвращенную бетонную смесь, которая бракуется из-за давности срока;

- расходы на промывку и чистку оборудования (насосов и шлангов), а также на ремонт этого оборудования в результате его засорения, дополнительные затраты, связанные с задержкой производственных процессов;

- затраты вследствие замены участков с дефектным набрызгбетоном;

- стоимость технического обслуживания набрызгбетонных насосов и оборудования;

- стоимость и техническое обслуживание смесительных машин, если они используется в работах;

- расходы на установку передвижных смесительных установок на участке работ, если ближайший бетонный завод готовых смесей находится слишком далеко от участка; круглосуточная работа завода;

- затраты вследствие простоя оборудования и персонала, при задержках и перерывах поставок набрызгбетона.

Трудно оценить и измерить многие из этих затрат на раннем этапе проекта, поэтому они упускаются из виду. Но необходимо отметить, что снижение отскока дает больше преимуществ подрядчику, чем приобретение более дешевого материала. Набрызгбетонные смеси с контролируемой гидратацией являются экономичной и эффективной разработкой.

9. Перспективы развития технологии NATM

Эта технология является одной из перспективных в строительстве подземных сооружений за рубежом. С ее внедрением непосредственно связано возможное распространение на российском рынке новых систем гидроизоляции и методов армирования, например, синтетического структурного фиброармирования.

Как видно из приведенных примеров, современные темпы строительства тоннелей горным способом в породах крепких и средней крепости могут быть весьма высоки. Например, в Норвегии скорость проведения автодорожного тоннеля под проливом Хитра пролетом 11,6 м и высотой 7,6 м составила 96 м в неделю в каждом забое, а автодорожного тоннеля Манхеллер — 80 м в неделю и т.п. Следует обратить внимание на то, что были устойчивы как максимальные, так и средние скорости проведения тоннеля за весь период его строительства [12].

Сегодня набрызгбетон большей частью используется при креплении горных выработок, где его применение стало решением множества проблем и стало необходимостью. Наблюдается четкая тенденция роста применения набрызгбетона в тоннелестроении в крупномасштабных проектах. Только в Европе общий объем составляет более 3 млн. кубических метров в год. Можно предположить, что эта возрастающая тенденция продолжится на протяжении нескольких лет.

И так,  подведем  итоги тенденций в этой сфере на международном уровне следующим образом. Технология мокрого набрызгбетонирования достигла этапа развития, который позволяет производить высококачественный, долговечный набрызгбетон для постоянного крепления. В распоряжении имеются дальнейшие немаловажные технические преимущества, когда необходимо армирование и используются стальные фибры. Потенциал экономии времени и затрат при использованием набрызгбетона мокрого способа с армированием стальными фибрами в качестве постоянного крепления в большинстве случаев весьма значителен, а иногда поразителен. Следует удостовериться, что проектные способы позволяют такие решения в качестве постоянной крепи. За последнее время набрызгбетон по мокрой технологии нашел широкое применение и в горной промышленности. Это отрасль промышленности крупного масштаба, требующая с одной стороны высоких стандартов безопасности для горнорабочих и с другой стороны высокой производительности для компенсации расходов при извлечении минералов и руд из недр Земли. Горное дело предъявляет сложные требования к набрызгбетону и его применению, например ограничения, связанные с материально-техническим обеспечением и температурой, которые можно устранить с использованием современных добавок и технологического оборудования.

В качестве строительного метода набрызгбетон может найти более широкое применение, но в настоящее время его применение очень ограничено. Одним из преимуществ набрызгбетона является гибкость и быстрота его применения.

Анализ передового опыта строительства тоннелей последних лет показывает, что подобные результаты нельзя трактовать как случайные рекордные показатели. Они являются следствием тщательно разработанного комплекса мероприятий, обусловливающего высокий уровень  строительства тоннелей  по технологии «NATM».

 

Список используемой литературы.

1. РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ  АРХИТЕКТУРЫ И СТРОИТЕЛЬНЫХ НАУК «РУКОВОДСТВО ПО КОМПЛЕКСНОМУ ОСВОЕНИЮ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА КРУПНЫХ ГОРОДОВ»  Москва – 2004г. Российской Академией архитектуры и строительных наук (академик РААСН, доктор техн. наук, проф. Ильичев В.А. -руководитель работы,  доктор архитектуры, проф. Голубев Г.Е.;  кандидаты техн. наук:  Замараев А.В., Скачко А.Н., Игнатова О.И.,Буданов В.Г., Короткова О.Н.)

2. Воронин В.С. Набрызг-бетонная крепь. / Воронин В.С. М., Недра, 1980г.

3. Сооружение тоннелей проходческими комплексами. Сб. информации по исслед. эффективности применения горнопроходческого оборудования в подземном строительстве. — М., 1989г.

4. Тирсе Д. Новый австрийский способ туннелестроения в каменноугольной промышленности. Глюкауф. – 1987г. – №23.

5. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. Учеб. для вузов. – М.: Недра. – 1994г.

6 .Система нормативных документов  в строительстве. Свод правил по  проектированию и строительству. Метрополитены. Москва 2004г. Разработан ОАО «Метрогипротранс», Общероссийской общественной организацией «Тоннельная ассоциация России», Научно-исследовательским центром тоннелей и метрополитенов ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства».

7. Набрызгбетон в креплении горных выработок. О.А.Опсал , « Торкретбетон, армированный стальнымифибрами, в креплении горных выработок».

8. К.Гаршол, Норвегия, Практическое применение набрызгбетона в креплении горных выработок.

9. Шевцов Н.Р., Антоневич Ю.И., Хоменчук О.В., Резник О.В. Пути повышения качества набрызгбетонной крепи горных выработок . Материалы рег.студ.научн.-техн.конф. «Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений». — Донецк: 000 «НОРД компьютер», 2001г.

10. KAYAMEK′2004-VII. Bölgesel Kaya Mekaniği Sempozyumu. ROCKMEC′2004-VIIth Regional Rock Mechanics

11. Свойства пород и устойчивость горных выработок . Усаченко Б.М. – Киев: Наук. думка, 1979г.

12. Роль бетона, Институт бетона в Австралии, Сидней, 1993г., Май.

13. Underground construction. Research of efficiency of usage and prospects of development of

shaft-sinking and tunnel-driving equipment in underground construction. — Moscow, 1999г.

14. Методические рекомендации    HILTI « Испытания торкрет-бетона на прочность на ранних этапах твердения путем забивания шпилек». – 2009г.

15.  Dr. Benedikt  Lindlar CPE Markus Jahn «Изложение метода, измерения прочности торкрет-бетона  (инструкция по применению)».

16.  Руководство ÖVВВ «Торкретбетон», новое издание по состоянию на 11/2008.

 

НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

ГОСТ 26633-91         Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия.

ГОСТ 10178-85         Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия.

ГОСТ 22266-94         Цементы сульфатостойкие.

ГОСТ 965-89             Портландцемент белый.

ГОСТ 15825-80         Портландцемент цветной.

ГОСТ 8736-93           Песок для строительных работ. Технические условия.

ГОСТ 8267                Щебень для строительных работ.

ГОСТ 9757-90           Гравий. Щебень и песок искусственные пористые.

ГОСТ 8267-93           Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. ТУ.

ГОСТ 24211-20023   Добавки для бетонов и строительных растворов.

ГОСТ 25818-91         Золы-уноса тепловых электростанций для бетонов..

ТУ 5743-048-02495332-96   Микрокремнезем.

ТУ 5745-001-16216892-06   Торкрет-бетон. Технические условия.

ГОСТ 23732-79         Вода для бетонов и растворов. Технические условия.

ГОСТ 10181.1-81      Смеси бетонные.

ВСН 126-90   Крепление выработок набрызг-бетоном и анкерами при строительстве транспортных тоннелей и метрополитенов. Нормы проектирования и производства работ.

Стандарт ÖNORM EN 14488-2 «Испытания торкрет-бетона – Часть 2», издание 11/2006г.

Стандарт ÖNORM EN 14487-1 «Торкрет-бетона – Часть 1», издание 05/2006г.

Стандарт ÖNORM EN 14487-2 «Торкрет-бетона – Часть 2», издание 01/2007г.