4. Вплив гірничого тиску та облицювання тунелів
1) Гірничий тиск – це навантаження, яке передається гірськими породами на кріплення або облицювання тунелю.
При проходженні підземних гірничих виробок напружений стан гірських порід у масиві, якій складався упродовж всього геологічного періоду їх формування, порушується; це виявляється в появі тріщин у покрівлі, стінках і дні виробки, «стрілянині» породи, тобто вивалів окремих шматків, і утворенні так званого склепіння обвалення криволінійної форми, розміри і форма якого залежать від фізико-механічних властивостей породи (сил тертя і зчеплення), а також від розмірів виробки. Висота склепіння є різною для різних порід, і після утворення склепіння обвалення припиняється.
Щоб уникнути руйнування виробки, у якій гірничий тиск діє не тільки по вертикалі, але частково й по бічних гранях, цей тиск має врівноважуватися опором тимчасового кріплення або постійного облицювання стінок, яке сприймає цей тиск.
Величина гірничого тиску визначається з виразу (за М. М. Протодьяконовим):
(8.1)
де γ – щільність породи; l – ширина виробки; f – коефіцієнт міцності породи.
Таким чином, тиск на облицювання стінок виробки визначається масою породи в об'ємі склепіння обвалення, що неважко визначити, і на основі цього тиску провести розрахунок облицювання.
2) Облицювання тунелів, їх призначення та типи. Внутрішня оболонка, яка покриває повністю все або частину живого перерізу тунелю й призначена для зменшення шорсткості стінок, захисту від вивітрювання та зменшення втрат на фільтрацію, а також для захисту виробки від небезпечних деформацій, обвалення покрівлі і стінок під дією гірничого тиску, називається тунельним облицюванням (рис. 8.3, 8.4). Облицювання виконують з каменю, бетону, залізобетону або тюбінгами.
Рис. 8.3. Види тунельного облицювання:
а – кругле; б – без зворотного склепіння; в – зі зворотнім склепінням; г – збірне із залізобетонних тюбінгів; д – тюбінг.
За контуром облицювання поділяють на:
циліндричні (круговий контур);
облицювання без зворотного склепіння, що застосовують в досить міцних ґрунтах, у яких діє тільки вертикальний тиск;
облицювання зі зворотним склепінням – у маломіцних і нестійких ґрунтах, у яких діє вертикальний і бічний тиск;
облицювання зі збірного залізобетону (тюбінги).
Облицюванням тунелів, як правило, є склепінчасті конструкції, оскільки вони в кращій мірі працюють проти сил гірничого тиску. Форма склепіння є також формою рівноваги гірських порід при проходці виробок. Тому застосування облицювань склепінчастої форми сприяє зниженню навантажень на них від ваги породи.
Рис. 8.4. Тунельне облицювання:
а – для ґрунтів з вертикальним тиском; б – для ґрунтів з бічним і вертикальним тиском; в – збірне залізобетонне облицювання; г – тюбінги;
1 – зовнішній контур облицювання при слабкому тиску породи; 2 – зовнішній контур облицювання при великому тиску; 3 – водовідвідний лоток; 4 – зворотне склепіння.
Тунель без облицювання може існувати лише в суцільних, міцних і стійких скельних породах при повній відсутності гірничого тиску. Але й у цих випадках поверхню виробки потрібно захищати шаром облицювання у вигляді бетону або цементної штукатурки для запобігання випадкового вивалу породи. Якщо тунель розташовується в скельних тріщинуватих породах, то застосовують полегшене облицювання у вигляді шару бетону завтовшки до 30 см. У разі, коли на конструкцію тунелю передається як вертикальний, так і горизонтальний тиск, але малої величини, можна обмежитися облицюванням незамкнутого профілю.
При розташуванні тунелю в слабких ґрунтах, коли гірничий тиск діє з усіх боків, облицюванню надають замкнутий контур (з облаштуванням зворотного склепіння знизу). Облицювання гірничих тунелів найчастіше облаштовують як монолітні конструкції, але іноді використовують й збірні.
Монолітні облицювання облаштовують з бетону, який подається в тунель насосами, що особливо зручно в обмежених просторових умовах виробок. Як матеріал для монолітних облицювань використовують також кам'яну кладку або залізобетон. При індустріальному (щитовому) способі облаштування тунелів застосовують, в основному збірні облицювання з тюбінгів або блоків. Тюбінги - це збірні елементи, що сполучаються між собою і в результаті створюють замкнуту криву (коло або овал). До недавнього часу тюбінги виконувалися переважно з металу (чавуну або стали). При цьому сталеві тюбінги застосовувалися лише в особливо складних випадках (у підводних тунелях, метрополітенах тощо).
У наш час тюбінги, головним чином, створюють із залізобетону. Кожен тюбінг є конструкцією коритоподібної форми (рис. 8.5) із циліндровою зовнішньою стінкою, облямованою бортовими ребрами по контуру і посиленої проміжними ребрами. Радіальні бортові ребра служать для взаємного з'єднання тюбінгів у кільце, а бортові ребра, що оздоблюють криволінійні краї тюбінгів, - для їх з'єднання в поперечному напрямі.
Рис. 8.5. Металевий тюбінг
Окрім тюбінгів для облаштування збірного облицювання застосовують блоки, але лише тоді, коли точно встановлено, що конструкція не буде піддаватися дії розтягуючих напружень. Залізобетонні блоки — це криволінійні елементи прямокутного перерізу у вигляді плит або брусів. Їх виготовляють з бетону високих марок у жорстких металевих формах. Кільця з блоків укладають з перев'язкою швів (як у кам'яній кладці). Шви між блоками заповнюють цементним розчином. Блоки мають отвори діаметром 4-5 см, через які закачують цементний розчин за облицювання.