Metodele speciale de constructiile subterane

METODE SPECIALE

Metodele speciale sunt metode cu aplicabilitate in anumite conditii de roca sau in anumite conditii de executie a lucrarii ca de exemplu lucrari sub zone dens construite,lucrari in pamanturi noroioase, pamanturi cu infiltratii putemice , etc.

Din metodele speciale fac parte: -metoda scutului ,

- metoda chesonului ,

- consolidarea pamanturilor prin injectii ,

- metoda congelarii pamantului ,

- metoda transeelor.

1 METODA SCUTULUI

Face parte din metodele cel mai mult folosite in constructiile subterane.

S-a aplicat pentru prima data la Londra pentru un tunel realizat pe sub Tamisa.Se impunea constructia de tunele si nu de poduri deoarece Tamisa era navigabila,iar podurile nu se puteau inalta ca sa asigure gabaritul necesar trecerii vapoarelor.Prima incercare de subtraversare cu metode clasice a dat gres in 1807 , din cauza inundatiilor mari de noroi si apa.Inginerul francez Brunei, in 1823, intrebuinteaza o camera speciala din lemn cu legaturi metalice.In 1828 o catastrofa cu victime omenesti duce la oprirea din nou a lucrarilor.Brunel imbunatateste camera si in 1836 reia lucrarile iar in 1843 termina lucrarea fara a folosi aerul comprimat.In timp inventia lui Brunei a fost imbunatatita. Sectiunea ,din dreptunghiulara , s-a transformat in circulara si integral din metal iar scutul a devenit o uzina de produs tunele.

Aceasta metoda o vom analiza detaliat in continuare.

Avantajele metodei :

- industalizarea este cel mai important lucru,

- ordonarea executiei si a operatiunilor executate,

- economie mare de materialul lemnos folosit,

- reducere importanta de personal specializat ( tunelisti , supraveghetori, etc.) ,

- viteza mare de executie ,

- adaptarea tipului de scut la tipul de roca ,

- adaptarea diametrului scutului la dimensiunile lucrarii ,

- posibilitati de automatizare ,

- lasa spatiul din spatele scutului liber , putandu-se mecaniza restul operatiilor,inclusiv transportul si evacuarea sterilului .

Dezavantajele metodei :

- necesita o investitie initiala mare ,

- sunt situatii in care sectiunea circulara nu se adapteaza economic la alte sectiuni circumscrise,

- nu este rentabil a aplica aceasta metoda in roci foarte tari , unde se lucreaza cu explozivi,

- o sectiune foarte mare de tunel nu mai justifica intrebuintarea scutului , ci a semiscutului .

DESCRIEREA SCUTULUI

Scutul este format dintr-un cilindru metalic de otel care cuprinde intreaga sectiune transversala a tunelului (fig.2). EI este compus din trei parti si anume :

1. Camera de lucru , situata in partea din fata,in zona cutitului.Cutitul este partea ascutita a cilindrului.Acesta poate fi fix sau mobil.In cazul cutitului mobil,circumferinta cutitului este fragmentata, fiecare fragment fiind culisabil paralel cu generatoarea cilindrului si cu o presa hidraulica poate fi impins inainte sau retras(vezi fig.3 ).Cutitele mobile se mai numesc si cozoroace.

Fig.21.Schema unui scut pentru statii de metrou  Fig.2Tubing metalic.

Fig.23.Scut pentru boltari de beton armat.Sectiune longitudinala.

Corpul principal,numit si partea centrala,contine instalatiile necesare de lucru.La diametre mari , partea centrala se imparte cu diafragme verticale si platforme orizontale care servesc pentru consolidarea cilindrului si ca platforme de lucru.Platformele de lucru pot fi culisante.De diafragramele verticale se prind cilindri hidraulici care sustin grinzile orizontale pentru sprijinirea frontului in roci mai slabe (vezi fig. 4).

Fig.4.

Partea din spatele scutului,o care este prelungire a partii centrale,numita fusta,in aceasta parte culiseaza,similar unui piston,inelul erector si se monteaza boltarii din beton armat sau tubingurile (fig.2).Lungimea fustei este egala cu 1,5-2 lungimi de inel.Grosimea tablei din care este construita fusta ajunge,pentru scuturile de 9m diametru,la 60 mm.Intre lungimea totala a scutului (cutit,parte centrala si fusta) si diametru exterior D trebuie sa existe o relatie care permite dirijarea in subteran a scutului.

Formula este:

K= L/D ~0

La tunelele mijlocii si mari,K este subunitar si tinde spre 0.45, iar pentru cele cu diametru mic,K este supraunitar. Modul de lucru cu scutul cu prese de avans paralele cu generatoarea cilindrului este prezentat in fig.5.

Fig.25.Fazele de executie.Faza 1..5.

Fazele de lucru sunt urmatoarele :

Faza 1 Reprezinta faza de plecare a scutului.In aceasta faza inelul erector este retras.

Faza Se excaveaza manual,mecanic sau cu alte metode un gol in fata scutului cu lungimea egala cu un avans (A) si diametrul cu cativa centimetri mai mare decat ai scutului.

Faza 3. Se pun in functie presele de avans.Presele sunt impartite in mod egal pe circumferinta inelului erector,au axul paralel cu generatoarea scutului si cursa pistonului egala cu avansul (A) plus o rezerva (aprox. 250mm).Presele pot fi actionate toate odata,fiecare independent sau pe sectoare.Inelul erector are patru sectoare(jos,sus,stanga,dreapta).Aceste patru sectoare dau posibilitatea dirijarii scutului prin actionarea anumitor sectoare.Prin spijinirea erectorului pe inelul de boltari scutul este impins in golul format in faza 1, operatie numita avans.

Faza 4. Se retrage inelul erector spre front. Operatia se numeste retragere.

Faza 5. In golul ramas pe fusta, se monteaza boltarii din beton sau din metal (fonta).Tubingurile (fig.2) sunt prinse de un brat erector hidraulic,care le pozitioneaza pe fusta.La boltarii din beton exista un sistem de role si trolii(vezi fig.6).Pentru zonele de curba,boltarii au forme corelate pentru inel de curba (fig.7) sub forma de pana.Operatia se numeste montare.In timpul operatiei de montare se incepe si excavatia pentru un nou ciclu.

Fig.6.Ordinea lucrarilor la intrebuintarea prefabricatelor pentru captusala exterioara.

Sterilul se incarca cu masini de incarcat sau cu ajutorul unor benzi si se evacueaza cu vagoneti,basculante,benzi transportoare,conducte etc.,functie de dimensiunile lucrarii,natura pamantului si alte conditii impuse de tehnologie.Dupa impingerea scutului de catre presele hidraulice, ramane un gol circular intre fata exterioara a inelului si suprafata excavatiei.Grosimea golului este in functie de grosimea tolei scutului si de acuratetea excavatiei.Acest gol se umple,prin injectare la 3-5 atm.,cu pietris, mortar de ciment.(In fig.13)este redata o sectiune longitudinala prin scutul de generatia a-I-a, iar in fig.9 o sectiune transversala prin tunel.Figura 10 arata montarea prefabricatelor.Pentru executarea celorlalte faze de constructie adica: hidroizolarea, turnarea captuselii interioare,banchine,refugii,radier etc.se folosesc metode si utilaje obisnuite.

Fig.Montarea scutului.Detalii.

In fig.11 este aratat un cofraj rulant pentru turnarea camasii interioare. Mantaile cofrajului se pliaza(profilul punctat din figura) si se muta la alt inel, intregul ansamblu ruland pe roti metalice(calea pe sine) sau de cauciuc.

Fig.11.Cofraj metalic cilindric ce se poate deplasa longitudinal.

SCUTUL MECANlZAT

S-a descris pana acum un scut in care excavatia se face manual,cu pichamerele sau alte scule simple. S-au fabricat scuturi in care frontul se sapa cu excavatoare (fig.12),cu combine cu atac punctiform (fig.13) sau cu freza totala (fig.14;15).In timp ce presele avanseaza,freza se roteste in jurul axului scutului si realizeaza sapatura.Evacuarea se face fie cu benzi fie cu conducte in care caz materialul se concaseaza si se amesteca cu apa.

Fig.15.Scut mecanizat.

Modul de lucru cu aer comprimat

Daca tunelul se executa intr-un pamant cu apa in cantitate mare se intrebuinteaza aerul comprimat. Pentru aceasta,scutul si tunelul deja executat se chesoneaza cu ajutorul unor pereti prevazuti cu usi etanse.Instalatia de chesoane cuprinde,in mod obisnuit, trei ecluze pentru diferite scopuri (fig.16) si

anume

- o ecluza pentru intrarea si iesirea muncitorilor care lucreaza in zona de inaintare,

- o ecluza pentru transportul materialelor,care serveste si la evacuarea pamantului sapat la frontul de atac,

- o ecluza de salvare,care are totdeauna deschisa usa dinspre frontul de atac .

Accesul la aceasta usa se face cu ajutorul unor scari sau poduri provizorii,cu scopul de a permite muncitorilor,in caz de pericol,sa poata ajunge in timpul cel mai scurt in ecluza de salvare.Efectuarea lucrului se face dupa aceleasi norme ca la chesonul cu aer comprimat(intrebuintat la fundatiile de poduri).Prin intrebuintarea aerului comprimat,apa este inlaturata din camera de lucru,dand astfel posibilitatea oamenilor sa lucreze in bune conditii.Presiunea hidraulica a apei trebuie contrabalansata de presiunea aerului comprimat.La capatul scutului presiunea hidraulica lucreaza dupa legea triunghiului de presiune.In special la tunelele cu diametre mari, presiunea la cheie este mai mica decat presiunea hidraulica de la cheie, la vatra nu vor fi evacuate apele.Daca reglarea se face dupa presiunea de la vatra , atunci in partea superioara a scutului s-ar putea inregistra scapari de aer.Din aceasta cauza se va lua presiunea hidraulica cuprinsa in zona determinata de diametrul scutului si la o treime din diametrul sau, masurat de jos in sus(fig.17).Exista scuturi mecanizate si automatizate care, in loc de aer comprimat, functioneaza cu bentonita(fara a folosi oameni la sapat).

Fig.16.Ecluze construite in interiorul tunelului. Fig.17.Zona ce determina marirea presiunii in tunel

la lucrarile cu aer comprimat.

In orase,trebuie executate o serie de tunele speciale cu sectiune mica, necesare pentru nevoi gospodaresti(canale,conducte,cabluri,etc.).Un scut de 3.lm diametru inzestrat cu hidromonitor (fig.18) a fost intrebuintat la canalizari in Bucuresti. Boltarii au 0.5m in aliniament si 0.4m in curba.Cantaresc 150kg.Rezulta un diametru interior de 5m, iar axa sa are o declivitate de 2 Raza minima este de 60m. Manevrarea scutului s-a facut cu ajutorul a 20 de prese hidraulice de 35t(fig.19).

Fig.18.Scut inzestrat cu hidromonitor.

Fig.1Sectiune transversala prin scut,cu vedere spre scut si partea finita.

In tara noastra s-au construit scuturi de 4.15m,6.5m si 9m diametru.(fig.20) .Trasarea camerei de montaj,executia tunelelor in coloane si montarea scutului in camera sunt aratate in fig.

Am prezentat sistemul de actionare la avans prin sprijinirea preselor pe boltarii prefabricati montati sau pe captuseala exterioara turnata monolit.Acest tip de scut,cu diametrul de 6.5m poate atinge un ritm de 50m pe luna.

In roci tari si consistente se foloseste si un sistem de sprijinire in peretii galeriei(fig.22).

Fazele de executie sunt aratate in fig.23.

Faza 1. Corpul scutului se fixeaza in peretii galeriei. Axul cu freza nu are reazemele retrase, nu se sprijina pe vatra ci pe corpul scutului.

Faza Axul cu freza inainteaza concomitent cu excavatia si evacuarea materialului.

Faza 3. Axul cu freza se reazema pe vatra, presele laterale ale scutului se retrag.

Faza 4. Sprinindu-se pe ax, corpul scutului inainteaza spre freza.

Faza 5. Identica cu faza 1 si reincepe ciclul.

Sprijinirile sunt cu cintre metalice (fig.22).In spatele scutului se poate realiza o camasa din torcret. Freza are role de taiere de diferite profile pentru diferite roci si pozitii pe disc fig.24).Randamentul unui astfel de scut este foarte mare, la un diamertu de 5.8m poate ajunge la 100 m/luna.

Numarul scuturilor ,fabricate la ora actuala in lume,depaseste cifra de 2000 bucati.Numai Japonia a fabricat peste 1000 bucati de diferite diametre.Scuturile fabricate au diametre cuprinse intre 0.5m pana la 16m (fig.25).

2 METODA CHESONULUI

La executarea lucrarilor de mica adancime,in zonele cu pamanturi foarte slabe, pe portiuni mici , se pot intrebuinta cu succes chesoanele.

In fig.26 se vede,in sectiune longitudinala, un tunel situat la mica adancime.Intr-o anumita zona, natura terenului fiind foarte slaba, legarea celor doua tronsoane devine anevoioasa. Problema in cazul de fata poate fi rezolvata prin executarea la suprafata a trei tronsoane de chesoane-tunel,coborate la cota respectiva.Un astfel de cheson-tunel este redat in fig.26.b.

Chesonul, situat in partea de jos a inelului de tunel, se executa din beton armat,el este complet inchis. Din cei patru pereti,doi sunt definitivi si doi provizorii,acestia din urma sunt asezati perpendicular pe axul tunelului.Cand chesonul a ajuns la cota, peretii provizorii se demonteaza.Exista tendinta ca tronsonul de tunel sa fie cat mai lung.Lungimile realizate pana acum pentru aceste chesoane au variat intre 6 si 25m. Ca regula, lungimea tronsonului nu trebuie sa depaseasca de patru ori latimea lui.

Fig.26. a)Situatie specifica ce duce la intrebuintarea chesonului tunel.

b) Cheson tunel,camera de lucru se afla in partea de jos

Deoarece lucrarile de coborare a chesonului-tunel sunt costisitoare, se cauta sa se execute sapatura

libera pana aproape de nivelul apei.Cand s-a ajuns la 40-50cm de acest nivel, se aseaza un strat gros de

balast pentru repartizarea in bune conditii a presiunilor verticale,pe acest strat de balast se monteaza

cutitul chesonului (fig.26). Daca lungimea chesonului este mai mare , se folosesc doua puturi de legatura, unul pentru deservirea oamenilor si altul pentru materiale.La terminarea lucrarii, camera de lucru se betoneaza, formand astfel o buna fundatie pentru tunel.La adancimi mai mari de 25m ale lucrarilor , solutia nu mai este convenabila.

3 METODA INJECTARII( SIUCATlZARII) PAMANTURILOR SLABE

Consolidarea si impermeabilizarea straturilor de pietrisuri si nisipuri mobile se realizeaza cu ajutorul metodei silicatizarii.Aceasta consta in folosirea unor solutii chimice care patrund in spatiile de dimensiuni reduse dintre particulele de nisip si pietris.Operatia de silicatizare consta in injectarea succesiva a straturilor respective de nisip si pietris cu doua substante chimice:silicatul de sodiu(stida solubila) si dorura de calciu sau componente pe baza de acetat.Pentru aceasta se intrebuinteaza tuburi metalice perforate care conduc solutiile chimice la adancimea necesara.Prin reactia chimica a celor doua substante, se formeaza in spatiile dintre particulele solide ale pietrisului si nisipului un gel hidratat de silice coloidala,care cimenteaza si impermeabilizeaza stratul tratat.

In fig.27 se arata realizarea prin silicatizare a unui monolit.EI are raza in functie de coeficientul de permeabilizare a straturilor repective,de cantitatea de solutie injectata si de presiunea intrebuintata la injectare.Inaltimea monolitului este mai mare decat lungimea tevii perforate de injectie.Timpul intre injectarea solutiei de silicat de sodiu si a clorurii de calciu nu trebuie sa fie prea mare, pentru ca prima solutie sa nu se dilueze prea mult.Reglarea duratei gelului se face prin adaugarea de substante care modifica ph-ul dandu-ne posibilitatea,ca,dupa un timp (de exemplu dupa terminarea structurii definitive de rezistenta), gelul sa se distruga, iar in anumite zone sa poata fi excavat usor.

Silicatizarea pamanturilor se aplica la mai multe lucrari de constructii,ca de exemplu:

- marirea capacitatii portante a pamanturilor de fundatie ,

- saparea puturilor, galeriilor si lucrarilor subterane in nisipuri mobile acvifere,

- I

- crearea de ecrane impermeabile la constructii hidrotehnice ,

- reabilitarea pamanturilor de fundatie la constructii existente la care fundatiile au cedat .

Silicatul de sodiu se mai foloseste ca accelerator de intarire a betonului.

Se da ca exemplu de lucrare executata prin silicatizare, executia unui put (fig.28). Putul are diametru de 3m. S-a silicatizat partea superioara pe o adancime de 4,4 m in patru straturi a 1,lm fiecare. Pentru executarea sapaturilor s-a construit in jurul putului un batardou de cca 1m grostme, prin injectarea in pozitiile aratate in desen a solutiilor respective. La adapostul acestui batardou s-a putut efectua sapatura necesara si realiza captuseala din beton a putului.