Механика подземных сооружений в примерах и задачах

сводчатую (с различными очертани­ ями свода), подковообразную, эллип­ тическую, круговую и другие виды крепи. Форма и размеры поперечных сечений выработок принимаются, как правило, по рекомендуемым типовым сечениям.

Сведения о некоторых распростра­ ненных видах крепи (обделок) при­ ведены в приложениях 3, 4.

Принято также различать крепь по материалу: деревянную, металличе­ скую, бетонную, железобетонную, набрызгбетонную, чугунную, чугунно­ бетонную и др.

Сведения о механических характе­ ристиках материалов крепи приве­ дены в приложении 2.

П редварительный выбор типа, вида и конструкции крепи (об­ делки), окончательные размеры которой устанавливаю тся расче­ том, производится с учетом клас­ са капитальности подземного сооруж ения и горно-геологиче­ ских условий его эксплуатации.

Горно-геологические условия

выработки и (р):

Из графика (рис. 4.2) следует, что, изменяя начальные смеще­ ния и0У зависящие от техноло­ гии строительства, и параметр жесткости крепи В, можно уп­ равлять процессом взаимодейст­ вия крепи с массивом.

Указанный прием можно при­ менить к различным механиче­ ским моделям, графики равно­ весных состояний которых пока­ заны на рис. 2.18, 2.33—2.35, 2.37.

На рассмотренном выше ана­ лизе взаимодействия крепи (об­ делки) с массивом основан ши­ роко известный новоавстрийский метод строительства тоннелей (NATM).

Новоавстрийский метод не представляет собой конкретной технологии или комплекса тех­ нологий разработки пород и воз­ ведения обделки, не связан он также и с конкретными конст­ рукциями временной крепи или постоянной обделки. Ука­ занный метод— это общий под­ ход к строительству тоннелей,

общая концепция последователь­ ного использования новых и но­ вейших сведений о поведении гор­ ных пород при строительстве тоннелей. Метод акцентирует внимание на законах механики горных пород, на понимании механизма работы обделки тон­ неля, что иллюстрируется обыч­ но графиком взаимодействия массива пород и крепи (рис. 4.3), известного под названием «диа­ грамма Феннера — Пахера».

Заметим попутно, что такое название не является точным.

а

Рис. 4.1. Схема к определению сопро­ тивления крепи смещениям пород (а) и график сопротивления крепи (б)

Рис. 4.2. Схема к анализу взаимо­ действия крепи с массивом:

/ — график равновесных состояний; 2 —гра­ фик сопротивления крепи

Во-первых, в работе Р. Феннера величина давления на крепь (от­ пора крепи) р была получена

Рис. 4.3. Диаграмма взаимодействия массива пород и крепи к новоавст­ рийскому методу строительства тон­ нелей:

/ — график разгрузки (равновесных состоя­ ний) массива; 2 —сопротивление крепи; 3 —-смещения пород в незакрепленной выра­ ботке; 4 —развитие смещений пород и крепи во времени; 1, II, 111—стадии строительства тоннеля

как функция радиуса зоны пла­ стических деформаций (2.41). Зависимость р (и) была установ­

лена в 1954 г. К. В. Руппенейтом. Во-вторых, справедливости ради следует вспомнить, что диаграммы, подобные показан­ ной на рис. 4.3, были впервые предложены и опубликованы в 1952 г. независимо друг от друга Б. В. Матвеевым и Ф. Мо­ ром.

Кривая разгрузки 1 на рис. 4.3

(график равновесных состояний массива) показывает уменьшение напряжений в массиве по мере деформаций массива (перемеще­ ний контура сечения выработки). Напряжения могут уменьшиться до некоторого минимума. Если же допустить дальнейшие дефор­ мации массива, то напряжения вновь станут возрастать и зона вокруг выработки придет в со­

стояние разрушения. Таким об­ разом, крепь не должна быть не только слишком жесткой, но и слишком податливой.

При возведении временной крепи (обычно это набрызгбетон с анкерами) в момент начальных смещений и0 с дальнейшим воз­

растанием смещений возрастает отпор крепи 2 и в точке пере­ сечения кривых 1 и 2 дости­

гается состояние равновесия. Возведение внутреннего слоя (дополнительный слой набрызгбетона или монолитная обделка) идет целиком в запас надежно­

где рех, pin— отпор (сопротив­

ление), создаваемый внешним

ивнутренним слоем обделки. Кривые 3, 4 отражают зави­

симость смещений пород от вре­ мени. Кривая 3 характеризует

смещения пород в незакреплен­ ной выработке (1 стадия строи­ тельства). Кривая 4 характери­

зует смещения пород при нали­ чии податливой тонкостенной крепи, причем III стадия соот­ ветствует «замыканию» крепи (креплению обратного свода).

«С помощью таких чрезвы­ чайно наглядных кривых можно объяснить еще очень большое число моментов феноменологи­ чески, но, к сожалению, не ко­ личественно»,— пишет проф. X. Дуддек.

Основоположниками новоав­ стрийского метода являются проф. Л. фон Рабцевич и проф. Л. Мюллер — Зальцбург. Основ­

ные принципы метода сводятся

кследующему.

A. Использование самонесущей функции (несущей способности) массива пород. Это обеспечи­

вается применением податливой временной крепи (анкерная набрызгбетонная, а в слабых по­

Б. Систематические контроль­ ные измерения напряжений

в массиве, нагрузок на крепь и смещений пород. На основании этих измерений принимаются решения об усилении временной крепи (увеличение количества анкеров и толщины набрызгбетонного слоя) и о возведении второго и третьего слоя посто­ янной обделки.

B. Высокий уровень понимания метода и сотрудничество между

заказчиком, подрядчиком и про­ ектировщиками в плане выра­ ботки и оперативного принятия решений на основании резуль­ татов измерений, программа которых входит в состав общих требований к ведению работ и отражена в смете на строитель­ ство тоннеля.

Представляют интерес принципы новоавстрийского метода, сформули­ рованные Л. Мюллером.

Породный массив вокруг подземной выработки является, по существу, несущим элементом крепи.

Поэтому одной из главных задач является всемерное сохранение есте­ ственной прочности массива. Следует по возможности предотвращать раз­ рыхление породы, поскольку оно при­ водит к значительной потере проч­ ности, и развитие одноосных и двух­ осных напряженных состояний, по­ скольку горные породы их не выдер­ живают.

Деформации массива следует кон­ тролировать таким образом, чтобы

нагрузки на крепь развивались по мере деформаций породы в выработку

ив то же время крепь предотвращала разрыхление и разрушение породы. Чем лучше это удается, тем выше безопасность и экономичность работ. Для решения указанной задачи тре­ буются оптимальное проектирование

исвоевременная установка временной крепи. Это требует правильной оценки фактора времени в работе массива пород и в системе крепи и массива.

Для оценки фактора времени не­ обходимы как предварительные ла­ бораторные исследования, так и из­ мерения деформаций в тоннеле. До­ полнительно учитываются период естественной устойчивости пород, ско­ рость деформаций пород и класси­ фикация горно-геологических усло­ вий.

При значительных деформациях массива временная крепь должна ра­ ботать на всей породной поверхности выработки. Наиболее эффективным видом такой крепи является набрызгбетон. Набрызгбетонная крепь долж­ на быть тонкой и податливой, при

этом сводится к минимуму восприя­ тие изгибающих моментов и трещинообразование под изгибающими нагруз­ ками. В случае необходимости уси­ лить временную крепь нужно не уве­ личивать толщину слоя набрызгбетона, а применять дополнительно металлическую сетку, арочную и ан­ керную крепь.

Потребность в усилении крепи оп­ ределяется по результатам контроль­ ных измерений.

Статически тоннель рассматривает­ ся как толстостенная труба, состоя­ щая из несущей зоны породы и кон­ струкции временной крепи. Посколь­ ку работать статически может только труба полного профиля, то особую важность имеет замыкание выработки скальным основанием или крепью обратного свода.

Работа породного массива опреде­ ляется, главным образом, периодом времени, необходимым для замыка­ ния кольца. При проходке с длин­ ными опережающими штольнями или уступами этот период увеличивается, что приводит к консольному эффекту

того, при разработке длинными усту-

пами породный массив также под­ вергается большим нагрузкам.

В отношении перераспределения напряжений целесообразна проходка на полный профиль, тогда как при проходке уступным способом пере­ распределение напряжений услож­ няется и породный массив может под­ вергнуться большим разрушениям.

Решающим фактором для устойчи­ вости конструкции является техно­ логия проходческих работ, так как ею определяется период обнаженного состояния поверхности породы. На процесс стабилизации массива и крепи в особенности влияют такие факторы, как скорость проходки калотты, опережение калртты и крепление обратного свода. Для предотвраще­ ния разрушающих концентраций на­ пряжений в породе следует избегать образования острых углов и стре­ миться к сглаживанию профиля вы­ работки.

Постоянная железобетонная обдел­ ка должна быть тонкой и должна работать совместно с временной крепью.

Система массива и временной крепи обязательно должна достигнуть со­ стояния устойчивости до возведения постоянной обделки. Это повышает коэффициент надежности конструк­ ции.

Временная крепь должна быть рассчитана на обеспечение устойчи­ вого состояния. Анкерную крепь можно считать за элемент постоян­ ной конструкции только при усло­ вии надежной защиты от коррозии.

Гидростатическое давление в по­ родном массиве и фильтрация под­ земных вод должны быть исключены путем устройства дренажных каналов.

Проф. Е. Бровн пишет, что разработчики новоавстрийского метода внесли большой вклад в искусство и науку тоннеле­ строения. Соглашаясь с ним, отметим, что искусство и прак­

тический опыт здесь пока пре­ обладают. Новоавстрийский ме­

конечныхэлементов для расчета обделок было воспринято неко­ торыми специалистами как кон­ курирующее iio отношению к новоавстрийскому методу. «Нам следует надеяться, — пишет проф. X. Дуддек,— что в буду­ щем «феноменологи» и «числовики» добьются взаимопонима­ ния как дополняющие друг друга и нужные друг другу партнеры».

Проф. X. Дуддек отмечает на­ личие достаточно большого ко­ личества «открытых проблем» в новоавстрийском методе, в чис­ ле которых следующие:

характеристики (графики рав­ новесных состояний) при А, Ф 1

(как преодолеть одномерность?); характеристики , для сечений некруглой формы; учет сопро­ тивления крепи изгибу; как из­ мерить допустимое ы0; возмож­ ность экстраполяции измерений на несущую способность крепи; определение основных парамет­ ров; определение границ при­ менения.

Отметим, что разработанные в Советском Союзе а рамках ме­ ханики подземных сооружений методы расчета крепи (обделок) во многом снимают сформули­ рованные X. Дуддеком про­ блемы.

В механике подземных соору­ жений крепь рассматривается как элемент совместно дефор­ мируемой системы «крепь —мас­ сив». Расчетная схема крепи

(обделки) представляет собой

схему контактного взаимодей­ ствия крепи с деформируемым

массивом (рис. 4.4). Основные виды воздействий, которым под­ вергается система «крепь— мас­

напорных тоннелей и шахт), сейс­ мические воздействия земле­ трясений.

Остановимся на понятии «гор­ ное давление». В настоящее время

это понятие используется все реже и реже. Можно назвать две причины: во-первых, изна­ чальную размытость самого по­ нятия, традиционно включавше­ го в себя как давление на крепь

выработки (узкий смысл), так и напряженное состояние пород

(широкий смысл), и,- во-вторых, широкое привлечение в послед­ ние десятилетия в горные дис­ циплины, в первую очередь в механику горных пород, методов, а вместе с ними— классических терминов и понятий механики деформируемого твердого тела, отличающихся большей конкрет­ ностью и определенностью.

В настоящее время под гор­ ным давлением чаще всего пони­ мается давление вышележащей

толщи как причина смещений, деформаций и разрушения пород и крепи при проведении горных

выработок. Это содержание вло­ жено и в определение, предло­ женное Международным бюро по механике горных пород: «Гор­ ное давление— собирательное по­ нятие для всех процессов (явле­ ний), происходящих в результате нарушения равновесия массива горных пород вследствие обра­ зования (проходки) в нем горных выработок».

Этот же смысл вкладывается в выражение «расчет на горное давление» в отличие от расчета

на другие виды нагрузок и воз­ действий.

Крепь в системе «крепь— мас­ сив» может быть представлена монолитной конструкцией, обла­ дающей изгибной жесткостью; сборной конструкцией со свя­ зями растяжения в стыках и с шарнирными стыками; набрызгбетонным покрытием, многослой­ ной конструкцией.

Рис. 4.4. Расчетная схема крепи (обделки) в массиве пород

Рис. 4.6. Зависимость между смеще­ ниями сыпучей среды в стенках ствола и внутренним давлением на

стенки (при разгрузке):

/ — намеренные смешения (//«45 см); 2—график равновесных состояний при аначениях величин: А«0,6; Vе 0,01в Н/см”; (7-50 Н/сма; ф«35°

ваны эмпирические формулы

где /— расстояние до забоя вы­ работки; г0— радиус выработки вчерне; v — скорость подвигания забоя; t — время.

Коэффициент а* может быть определен также на основании обработки результатов натур­ ных измерений давления на крепь, деформаций крепи или смещений пород (эксперимен­ тально-аналитический метод рас­ чета крепи).

В заключение выскажем два заме­ чания относительно использования графиков (уравнений) равновесных состояний при анализе взаимодейст­ вия крепи с массивом.

Первое замечание относится к тому, что график равновесных состояний был получен путем постепенной мо­ нотонной разгрузки массива по кон­ туру сечения выработки при обеспе­ чении соответствующих перемещений

контура. При анализе взаимодейст­ вия крепи с массивом разгрузка мас­ сива по контуру сечения выработки происходит сразу, некоторое время смещения пород не встречают ника­ кого сопротивления, затем в контакт с массивом вводится крепь, оказы­ вающая нарастающее сопротивление дальнейшим смещениям пород, и ус­ танавливается равновесие, характе­ ризующееся некоторой точкой на гра­ фике равновесных состояний. Полу­ чается, что конечные смещения кон­ тура сечения выработки не зависят от истории ее нагружения (разгрузки),

поверхность выработки без временной крепи типа набрызгбетона с анкерами представляется весьма целесообраз­ ной.

Для иллюстрации существенного влияния условий, создаваемых на поверхности выработки, на величину и характер смещений пород приведем результаты экспериментов автора на модели с песком. Имитировалась вертикальная выработка. Поверх­ ность модели ствола (размеры модели:

шения, которое возможно при доста­ точно хрупкой (например, бетонной) крепи в массиве пород, склонном к хрупкому разрушению при высоких начальных напряжениях в массиве.

Проблема динамического (внезап­ ного) разрушения пород и крепи яв­ ляется «открытой», количественные