книги из ГПНТБ / Мостков, В. М. Подземные сооружения большого сечения

тельно-напряженных анкеров, устройство крепей, передающих вну­ тренний напор жидкости или газа на породу или обжатых в породу.

Основное значение в укреплении породы вокруг выработки отво­ дится анкерной крепи и набрызгбетону, т. е. таким видам крепи, ко­ торые в соответствующих инженерно-геологических условиях, омоноличивая окружающую породу, скрепляют отдельные блоки и слои, повышают ее прочностные свойства, уменьшают анизотропию мас­ сива, а главное создают породно-анкерный несущий свод, который вступает в работу непосредственно над подземной выработкой и уменьшает деформации контура. Кроме того, анкерную и набрызг- ■бетонную крепи обычно не удаляют при возведении постоянной крепи. Они являются ее составными частями. Демонтаж временной крепи перед установкой постоянной крепи, как правило, наряду с повыше­ нием опасности для работающих, приводит к увеличению деформа­ ций контура выработки и возрастанию нагрузок на подземную кон­ струкцию.

Интересным примером применения анкеров для создания сжатой напряженной зоны в горной породе может служить проходка двух транспортных туннелей в мергелях [102, 108]. По проекту туннели должны были располагаться на расстоянии, достаточном для того, чтобы нагрузки, действующие на каждый туннель, не на­ кладывались. Это расстояние а по расчету определилось равным

а Sa 4D,

где D — диаметр туннеля.

Между темно условиям застройки поверхности и подъездов ока­ залось выгодным сблизить туннели. Для этого между туннелями была пройдена штольня и из нее вверх пробурены и установлены предварительно-напряженные анкера глубиной 15 м. Таким образом образовался породный обжатый клин, создающий центральную опору, препятствующую перераспределению нагрузки над обоими туннелями

иее увеличению (рис. 35).

Выбор метода производства работ. При буровзрывном методе

ведения работ наиболее действенным средством уменьшения наруше­ ния приконтурного слоя породы является технология контурного взрывания. Относительное уменьшение глубины зоны нарушенной породы в зависимости от типа ВВ и конструкции контурных зарядов характеризуется следующими данными:

95

Следует отметить, что в достаточно широком диапазоне случаев изменение глубины зоны нарушенных пород над выработкой от дей­ ствия взрыва аналогично изменению нагрузки на крепь.

Уменьшение глубины нарушенной зоны при буровзрывном способе работ достигается также регулированием очередности взрывания серий зарядов в забое. Более подробные сведения о контурном взры­ вании (по методу сближенных зарядов и предварительного щелеобразования) приведены в § 17.

Одним из способов сокращения размеров зоны нарушения может оказаться проходка выработки с недоборами (примерно 30 см) и с по­ следующей их ликвидацией осторожным взрыванием, подрезкой с применением комбайна со стреловидным исполнительным органом или, например, с использованием термического способа (струей плазмы).

Принципиальным решением для резкого уменьшения глубины зоны нарушенных пород над выработкой является переход на механи­ зированные комбайновые проходки без применения буровзрывных работ (см. § 15). В этом случае минимальное нарушение породы до­ стигается при установке крепи (анкера, набрызгбетона, монолитно­ прессованный бетон) вслед за продвижением комбайна.

96

Рис. 36. Графическая оценка влияния различных факторов на устойчивость выработки;

а — направление оси выра­ ботки;

б — формы поперечного се­ чения;

в—- способ проходки;

в— тип крепи;

1— параллельно слоисто­ сти;

2— перпендикулярно

слоистости; 3 — прямоугольная форма;

4 — корытообразная фор­ ма;

5 — круглая форма;

6— бризантное взрывание;

7— контурное взрывание;

11— набрызгбетон;

12— набрызгбетон и анкера

Кспособам, обеспечивающим наименьшее нарушение окружа­ ющего породного массива, относятся также новые физические методы разрушения горных пород (токи высокой частоты, электрогидравли­ ческий и др.), однако в настоящее время они еще не приобрели про­ мышленного значения.

Вопрос выбора способа производства работ должен естественно, решаться не только исходя из нагрузки на крепь, но и с учетом це­ лого ряда факторов, т. е. на основе технико-экономического обосно­ вания.

Как следует из приведенного анализа, имеется ряд возможностей использования несущих свойств горного массива породы для облегче­ ния подземных конструкций. Эти вопросы изучались и изучаются рядом институтов и многочисленными исследователями. В частности, проблеме естественного породного свода посвящен ряд работ Г. Бер­ гера [80, 102, 108] и других авторов [8]. Влияние различных факто­ ров на устойчивость подземных выработок рассматривалось Лауффером [97], который предложил наглядную схему, характеризующую

ющее собой наибольшую длину незакрепленного участка туннеля. Эта величина принимается равной ширине подземной выработки (в крепких породах) или расстоянию от плоскости забоя до крепи (в слабых породах). По оси абсцисс отложена продолжительность устойчивого состояния выработки.

/ Заказ 609

Глава ІИ

Исследование работы подземных конструкций и окружающего массива

Для большинства подземных сооружений с помощью статических расчетов удается лишь приближенно определять необходимые раз­ меры, запасы прочности и устойчивости конструкций, поэтому для обоснования проектного решения в ответственных случаях прово­ дятся, как правило, экспериментальные исследования. Это прежде всего относится к подземным сооружениям большого сечения, в кото­ рых учет местной анизотропии пород и отдельных локальных наруше­ ний может существенно изменить расчетную схему.

В результате исследований появляется возможность внести уточ­ нения в проектные расчетные предпосылки к следующим трем основ­ ным факторам, определяющим параметры подземного сооружения — напряженное состояние горного массива и конструкций, нагрузка на подземные конструкции, оценка устойчивости и несущей способности сооружения. По этим факторам, в свою очередь, можно уточнить форму поперечного сечения выработки, размеры постоянной крепи, параметры временной крепи, очередность разработки и крепления одиночной выработки или комплекса выработок с оптимальными размерами целиков между ними, а также определить предельные нагрузки, действующие на сооружение.

Если до 1960 г. подобные исследования подземных сооружений в процессе проектирования и строительства носили частный харак­ тер и были направлены в основном на определение одного из перечи­ сленных выше факторов (например, напряженного состояния породы), то за последние 10—12 лет положение значительно изменилось. Полу­ чил существенное развитие ряд методов (в частности, эквивалентных материалов, ультразвуковой, реометрической и др.), расширилась номенклатура применяемой аппаратуры, повысилась надежность результатов, а главное, оказалось, что затраты на исследовательские работы, выполненные как в процессе проектирования, так и па ста­ дии строительства, во многих случаях не только окупаются, но позво­ ляют получить существенное снижение средств за счет применения рациональных форм поперечного сечения выработок, оптимальных производственных решений, экономичных и облегченных конструк­ ций временной и постоянной крепи.

98

Рис. 37. Структурная схема метода наблюдений

Все это в последние годы во многих .странах мира (в Советском Союзе, США, Австралии, ФРГ, Канаде, Японии, Австрии и в ряде других стран) определило тенденцию к широкому применению иссле­ дований подземных сооружений на всех стадиях их проектирования и возведения. Наметился переход к комплексным исследованиям, выполняемым для одного и того же объекта различными методами, дополняющими и уточняющими друг друга.

В работе [106] изложен метод наблюдений, предназначенный для обоснования проектных решений по подземным сооружениям ком­ плексом исследовательских работ. Структурная схема метода наблю­ дений приведена на рис. 37. В основу метода положено следующее. Проект подземного сооружения и программу исследовательских ра­ бот составляют, исходя из наиболее вероятных инженерно-геологи­ ческих условий (рабочая гипотеза I). Одновременно с этим уточняют конструкции, планируют способы производства работ, а также ком­ плекс измерений и научных исследований, исходя из возможных наименее благоприятных инженерно-геологических условий (рабо­ чая гипотеза II). Определение, по какой из двух гипотез необходимо строить подземный объект, возможно только в процессе его соору­ жения. Поэтому во время строительства объекта в проект вносят изменения и дополнения по результатам исследований, выполненным в натуре по программе, составленной на основании как I, так и II рабочих гипотез.

Отдельные сооружения в Советском Союзе проектируют и строят аналогичным образом.

Приведенная схема позволяет наглядно оценить необходимость проведения широких исследовательских работ как в процессе про­ ектирования крупного подземного сооружения, так и в период его строительства.

Наряду с исследованиями в натуре особое место заняли модельные исследования, достоинства которых заключаются в экономичности, а также в возможности охвата сооружения в целом, регулирования нагрузок, раздельного изучения различных факторов и многократ­ ного повторения опытов без помех производству. Модельные исследо­ вания выполняют при известных, заранее заданных нагрузках, определяемых на основании натурных исследований. Наиболее рас­ пространенными методами модельных исследований подземных соору­ жений в настоящее время являются поляризационно-оптический метод определения напряжений (метод фотоупругости) и метод экви­ валентных материалов.

динамометрического разреза, компенсационный и др.), нагрузок на подземные конструкции (методы для определения размеров нару­ шенной зоны пород над выработкой, применение различных мессдоз и др.), а также на оценку устойчивости и несущей способности соору­ жений (применение различных тензометров, экстензометров, деформометров и другой измерительной аппаратуры).

§8. Модельные исследования методом фотоупругости

ина эквивалентных материалах

Напряженное состояние массива и конструкций. Класс этих задач наиболее просто решается методом фотоупругости. Исследования подземных сооружений поляризационно-оптическим методом, про­ водимые в Советском Союзе (МИСИ им. В. В. Куйбышева, институт

Оргэнергострой, Институт горного дела им. А. А. Скочинского, внииг им. Б. Е. Веденеева и др.) и в других странах, позволили

установить, что применение этого метода наиболее целесообразно для определения напряжений в туннельных крепях от заданных нагрузок, а также в сплошном изотропном или состоящем из изо­ тропных слоев упругом горном массиве от собственного веса пород и от других нагрузок.

Исследования напряженного состояния массива и конструкций методом фотоупругости позволяет решить ряд практических задач. Результаты некоторых из этих исследований, проведенные, напри­ мер, в институте Оргэнергострой за последние годы для конкретных объектов различного назначения, могут быть проиллюстрированы следующими примерами [3 и др.], поясняющими область применения метода фотоупругости.

100

Выбор формы сечения туннелей и уточнение условий их работы.

Исследования проводили для получения сравнительных данных о на­ пряженном состоянии крепи туннелей круглой и корытообразной формы диаметром 15 м, внутренним напором воды 10 кгс/см2 при толщине железобетона 1 м в породах, имеющих модуль упругости 150 000 кгс/см2.

Вопрос выбора форм поперечного сечения туннелей в конкретных условиях изучался на многочисленных моделях при различных на­ грузках и переменном отношении модулей упругости обделки и по­ роды. Часть этих исследований была впоследствии подтверждена на опытном подземном полигоне и отражена в нормах проектирования туннелей. Серия экспериментов (около 100) на моделях методом фото­ упругости позволила уточнить величину и распределение упругих реакций породы на контакте с обделкой в зависимости от формы ее поперечного сечения, нагрузки и соотношения модулей упругости конструкции и породы. Результаты исследований были использо­ ваны для разработки положений по уточнению расчета обделок с учетом упругого отпора породы.

Исследование конструкции подземных сооружений и очередности раскрытия выработок. Методом фотоупругости было проведено иссле­ дование рациональных конструкций опор мостового крана в подзем­ ном помещении. Исследовали различные варианты опирания мосто­ вого крана. Были установлены условия применения каждого из исследованных вариантов с учетом геологии, пролета, нагрузки и конструкции опоры. В результате была предложена и принята кон­ струкция свода с подвесными подкрановыми опорами [41].

Для одного из подземных сооружений пролетом 10 м и высотой

ипроверки достаточности принятого расстояния между исследуемой

исмежной выработками. В результате исследований были определены напряжения на контуре выработки и вдоль выбранных сечений в мас­ сиве, установлены сечения, подлежащие закреплению анкерами,

даны рекомендации по глубине анкеров на различных участках, а также сделан вывод о целесообразности увеличения расстояния между соседней выработкой в 1,5—1,8 раз.

Для оценки условий работы глубоких предварительно-напряжен­ ных анкеров в конкретном объекте требовалось экспериментально определить характер действия сжимающих напряжений от предва­ рительного натяжения анкеров в массиве породы. Исследования про­ водили на двух плоских моделях методом фотоупругости.

На модели № 1 воспроизводили расчетную схему располо­ жения анкеров. Левая грань плитки защемлялась, правая грань (соответствующая стене камеры) оставалась свободной. Модель № 2 представляет собой участок сечения массива по длине камеры, проведенного по оси анкеров. На этой модели исследовали зависи­ мости напряжений в породе от длины анкеров и расстояния между ними. В ходе эксперимента в каждой модели определяли сжимающие

101

Рис. 38* Характерные картины полос при исследовании стен подземной выработки, закреплен­ ной предварительно-напряженными анкерами

Рис. 39. Распределение напряжений вокруг подземного машинного зала ГЭС Кисеняма:

а — план сооружений; б — продольный разрез; 1 — подземный машинный зал; 2 — кабель­ ная шахта; 3 — уравнительный резервуар

и касательные напряжения. Характерные картины полос на модели № 1 показаны на рис. 38. Цифрами указан порядок полос. В резуль­ тате исследования было установлено, что, хотя напряжения от предварительного обжатия по стене камеры распределяются неравно­ мерно, экспериментальные напряжения в стене приблизительно равны расчетным. В силу неравномерности обжатия стены между анкерами образуются области, площадью равной 10% общей, напря­ жения в которых превышают расчетные более чем на 1 тс/м2. Это обстоятельство следует учитывать постановкой дополнительных обыч­ ных анкеров между предварительно-напряженными.

102

Заслуживает внимания использование метода фотоупругости при решении вопросов крепления камерных выработок подземной гидростанции Кисеняма в Японии, построенной несколько лет назад.

Основная камерная выработка (машинный зал) залегает в слан­ цах на глубине 250 м от поверхности, имеет ширину 25,6 м, высоту 51 м и длину 60,4 м. К ней примыкают кабельная шахта, подземный уравнительный резервуар и ряд туннелей. По данным натурных исследований (метод разгрузки с использованием фотоупругих дат­ чиков) определили следующие сжимающие бытовые напряжения в скальном массиве: вертикальное давления Р3 — 25 кгс/см2, давле­ ние вдоль оси машинного зала Р 2 = 18 кгс/см2, горизонтальное боковое давление Р х = 6 кгс/см2. Эти напряжения были приложены к объемной модели в масштабе 1 : 1500 из оптически активного мате­ риала, в которой были имитированы все выработки. Результаты исследования показаны на рис. 39. Из этих эпюр следует, что сжима­ ющие напряжения вокруг выработок (до 65 кгс/см2) представляются в целом сравнительно безопасными, целик же между машинным залом и кабельной шахтой должен быть зацементирован и закре­ плен анкерами. Также определилась необходимость крепления кровли подземных помещений, поскольку порода в сводчатой части может разрушиться от высоких растягивающих напряжений (до

40 кгс/см2).

Все эти результаты были затем дополнительно проанализи­ рованы расчетом, выполненным методом конечных элементов, а также скорректированы измерениями, проведенными в натурных условиях.

Следует отметить, что оценка результатов исследований, выпол­ ненных методом фотоупругости при переходе к условиям в натуре, требует известной осторожности. Примером недостаточно критиче­ ского подхода в использовании результатов модельных исследований методом фотоупругости могут служить исследования, проведенные для подземного машинного зала ГЭС Поатина на о. Тасмании. Ос­ новные работы по проектированию и строительству этой гидростан­ ции были выполнены в 1958—1961 гг.

Машинный зал длиной 90 м, шириной 13,5 м и высотой 25,2 м расположен в аргиллитах на глубине 150 м от поверхности. На ос­ новании проходки опытной штольни пролетом примерно 2 м было решено, что наиболее целесообразная форма поперечного сечения камеры будет не при полуциркульном, а при трапецеидальном очер­ тании кровли с углом наклона боковых стенок, примерно равным углу внутреннего трения породы (ф = 34°).

Модельные исследования напряженного состояния породы вокруг камеры на разных этапах ее строительства, выполненные методом фотоупругости, естественно, выявили значительную концентрацию напряжений в местах сопряжения наклонных стенок с плоской кров­ лей (рис. 40). Чтобы уменьшить эти концентрации в модели сделаны надрезы на местах перегибов. Можно было полагать, что поскольку

103

Рис. 40. Влияние надрезов на концентрацию напряжений:

а — г — стадии разработки; а и і — до надрезов; б и г — после надрезов

горные породы обладают трещиноватостью, то в том случае, если концентрация напряжений превысит предел прочности породы, про­ изойдет местное раскрытие трещин и надрез, выполненный на модели, образуется в натуре без вмешательства человека. Тем не менее, было принято решение перенести надрез в условия строящейся камеры. Для этого на каждом перегибе поверхностей почти вплотную друг к другу были пробурены шпуры с использованием алмазных коронок. При развитии напряжений целики между шпурами разрушались, а для обеспечения контроля за раскрытием щели в каждое отверстие были вставлены деревянные шпонки, которые затем снимали, а образовавшиеся сквозные продольные щели (глубиной около 1 м) заделывали цементным раствором. Камеру крепили анкерами глу­ биной 3,6—4,3 м и набрызгбетоном по сетке.

Интересно заметить, что спустя 6—7 лет там же, на о. Тасмания, была построена подземная станция Кетана. Моделирование этой выработки шириной 18 м и высотой 30 м вели на объемной модели.

104