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

при дальнейшем увеличении нагрузки обрушения породы в сте­ нах выработки не происходило, имел место сдвиг породы по трещи­ нам напластования системы S и тектоническим нарушениям S t, на контуре выработки наблюдалось появление и раскрытие трещин с отслоением тонких пластов материала.

Динамические исследования. При моделировании взрывных ра­ бот соблюдались условия подобия, установленные для статических исследований, а также дополнительное условие: время протекания взрывного процесса в модели должно соответствовать в масштабе времени т( аналогичной величине в натуре. Параметры паспорта буровзрывных работ (расстояния между шпурами, их глубина, линия наименьшего сопротивления), при моделировании соблюда­ лись в масштабе т1 = 1 : 30. Для подбора взрывчатых веществ на модели скорость детонации рассчитывали исходя из принятых масштабов mh та и пг

I Для экспериментов использовали взрывчатые смеси, состоящие из пороха и тена в соотношении, удовлетворяющем расчетной вели­ чине скорости детонации. Для зарядов на контуре выработок это соотношение составило 2 : 1 , для скважин в уступе камеры — 1,5 : 1.

Материал модели в основном аналогичен материалу, принятому для статических испытаний. Физико-механические характеристики материала модели уточняли при исследовании образцов ультразву­ ковым методом.

Моделировали участок массива, включающий часть камеры под­ земного машинного зала и шесть выработок, примыкающих к ней. При моделировании учитывали структурно-геологические характе­ ристики горного массива. После изготовления модели уточняли ее динамические упругие характеристики. Средние результаты (из 100 измерений) в сравнении с соответствующими характеристиками для натуры приведены в табл. 30.

Таблица 30

125

Глубину нарущенной зоны вокруг выработок в модели определяли

Взрывные работы моделировали на стендах, установленных в спе­ циально оборудованной подземной взрывной камере. Естественное напряженное состояние массива обеспечивалось вертикальной при­ грузкой в принятом масштабе. Для определения глубины нарушен­ ной зоны в туннелях взрывали только заряды в контурных шпурах, тогда как центральная часть выработок создавалась механическим способом. При отработке уступов камеры заряды взрывались во всех шпурах согласно паспорту буровзрывных работ. При определении глубины нарушенной зоны в местах сопряжения выработок с каме­ рой подземного машинного зала была смоделирована отбойка четы­ рех уступов камеры.

Взрывапие зарядов осуществляли с помощью нанесенных на нихромовый мостик капелек азида свинца массой 0,015—0,020 г. Для электрического взрывания зарядов применяли серийные взрывные машинки и специальные приспособления, позволяющие взрывать заряды различными сериями.

Средние значения глубины нарушенной зоны, полученной в ре­ зультате этих модельных исследований, в пересчете на натуру при­ ведены в табл. 31.

Таблица 31

Одновременно с определением глубины нарушенной зоны в местах сопряжения с туннелями измеряли и величину ее распространения вдоль стен камеры. Для всех мест сопряжения эта величина оказа­ лась равной 2,5 м.

Эксперименты показали, что увеличение контурного заряда в 1,5 раза по сравнению с рекомендуемым в табл. 31 приводит к уве­ личению глубины нарушенной зоны на 20—25%.

126

Рис. 50. Величины напряжений на контуре выработки (сопоставление результатов исследо­ ваний), полученные при испытаниях

Исследования влияния сейсмического действия взрыва на состоя­ ние предварительно-напряженных анкеров приводили во взрывной камере на модели в виде гипсобетоиной плиты с двумя анкерами в масштабе 1 : 10. После предварительного натяжения анкеров мо­ дель подвергали действию взрыва и определяли изменение напря­ женного состояния анкеров. Измерения проводили тензометриче­ ским способом. Часть электротензодатчиков через коммутирующее устройство была соединена с электронным измерителем статических деформаций с автоматической балансировкой. Для записи динамиче­ ских деформаций использовали осциллограф с усилителем.

Величину одновременно взрываемого заряда в модели определяли на основании возможных величин заряда ВВ в натуре при отработке уступов камеры подземного машинного зала. Результаты исследова­ ний по определению влияния взрывов на напряженное состояние оказались следующими:

при взрывании уступа в соответствии с рекомендуемым паспор­ том буровзрывных работ изменение натяжения анкера колеблется в пределах 10% величины первоначального усилия, поэтому при расчете предварительного натяжения следует вводить понижающий коэффициент 0,9;

увеличение удельного заряда примерно в 2 раза по сравнению с рекомендуемым приводит после взрыва к уменьшению предвари­ тельного натяжения анкера на 30% первоначальной величины.

Основные результаты исследований и рекомендации. Сопоставле­ ние результатов статических испытаний моделей из эквивалентных

127

упругой модели (рис. 50, а), моделей из эквивалентных материалов при незакрепленной выработке (рис. 50, б) и при наличии крепи (рис. 50, в). Эпюра на контуре закрепленной выработки прибли­ жается к эпюре на упругой модели, что указывает на определенное омоноличивание трещиноватой породы вокруг выработки в результате ее закрепления.

Сравнивая коэффициенты перегрузки, полученные эксперимен­ тально на стадии начала трещинообразования закрепленной и неза­ крепленной моделей, можно установить следующее.

Закрепленная выработка воспринимает нагрузки примерно в 1.5— 1,7 раза больше по сравнению с незакрепленной выработкой. Если полагать, что коэффициент запаса устойчивости незакреплен­ ной выработки равен 1 (поскольку трещинообразование незакреплен­ ной модели началось при нормативных значениях коэффициента перегрузки), то для закрепленной выработки он оказывается равным 1.5— 1,7 при нормативном значении 1,3—1,4. Полученный коэффи­ циент запаса устойчивости камеры, как отмечалось выше, показы­ вает, во сколько раз следовало бы увеличить внешние усилия, дей­ ствующие на закрепленную камеру (с учетом нормативных коэффи­ циентов перегрузки), чтобы привести сооружение в состояние пре­ дельного равновесия.

Как показали эксперименты, крепление свода камеры анкерами и набрызгбетоном привело к уменьшению деформаций свода в 2— 2,5 раза по сравнению с незакрепленной камерой. Разрушение свода началось только после появления видимых трещин в стенах. Это свидетельствует о достаточной эффективности принятой конструкции свода и в то же время об отсутствии чрезмерных запасов.

Анализ напряженного состояния массива породы вокруг выра­

только принятой в расчете поверхности скольжения, но также криво­ линейной поверхности с максимумом посередине высоты стены. Это подтверждено результатами испытаний незакрепленной камеры на модели из эквивалентных материалов. Учитывая также неявно вы­ раженную в натуре систему трещиноватости К целесообразно от­ корректировать намеченную схему крепления стен следующим об­ разом:

в северной стене камеры принять все предварительно-напря­ женные анкера глубиной 10 м (при шаге 4 X 4 м и усилии натяже­ ния 100 тс) с тем, чтобы перекрыть вероятную зону подвижек по­ середине высоты стены; соответственно четыре нижних ряда железо­ бетонных анкеров с шагом 3 X 3 м диаметром 28 мм принять длиной по 3,3 м каждый;

в южной стене принять аналогичную схему крепления, поскольку очертание вероятной криволинейной зоны подвижек не связано непосредственно с картой трещиноватости;

остальные элементы крепи стен (набрызгбетон я промежуточные железобетонные анкера) остаются без изменений, за исключением

128

глубины промежуточных анкеров, которая, учитывая размеры на­ рушенной зоны вследствие взрывных работ, должна быть увеличена до 2,6 м.

в стенах камеры вокруг всех примыкающих туннелей необходимо установить нормально к поверхности два ряда железобетонных ан­ керов длиной по 3,3 м с шагом 1,3 м; покрытие из набрызгбетона на этих участках следует наносить по металлической сетке.

Такая схема крепления должна обеспечить устойчивость камеры с коэффициентом запаса 1,5—1,7 при любой вероятной форме по­ верхности скольжения.

При оценке результатов модельных исследований в целом не­ обходимо принять во внимание, что на моделях с некоторой неиз­ бежной погрешностью воспроизводится заданная структура горного массива и физико-механические показатели породы, которые, в свою очередь, по необходимости являются средними величинами, прибли­ женно соответствующими фактическим натурным условиям. Кроме того, при моделировании не учитывается ряд факторов, способных несколько уменьшить несущую способность выработки: наличие нарушенной породы на контуре вследствие взрывных работ; влияние сейсмики массовых взрывов при разработке ядра камеры на устой­ чивость структурных блоков породного массива; размывающее дей­ ствие грунтовых вод; неизбежный разрыв во времени между разра­ боткой породы и креплением выработки и др.

С учетом этих обстоятельств, а также размеров и назначения выработки, залегающей в трещиноватых скальных породах, было решено при осуществлении рекомендуемой схемы крепления вы­ полнить натурные исследования в ходе строительства.

§ 10. Натурные исследования

Напряжения в породе и конструкциях. Давление на крепь. Для

измерения фактических напряжений в породе, окружающей выра­ ботку, разработаны и применяются многие методы. Наибольшее распространение получил метод разгрузки (частичной или полной), основанный на измерении деформаций в породе. Поскольку для вы­ числения напряжений по деформациям тензометрических или фотоупругих датчиков требуется знать модуль упругости и коэффициент поперечной деформации породы, то эти величины определяют в ла­ бораториях на образцах или в натуре с помощью прессиометров, дилатометров, гидравлических камер, штампов, микросейсмическим ультразвуковым и другими методами. Применяют также метод из­ учения напряжений в массиве деформометрами, установленными

вскважинах. С помощью этих исследований в характерных точках подземного сооружения получают тензор напряжений, действующих

впороде (рис. 51).

Основная заслуга в разработке и внедрении методов исследования напряжений в породе и подземных конструкциях в Советском Союзе

Рис. 52. Эпюры контактных давлений на крепь туннеля во времени

130

принадлежит: ВНИМИ, институтам горно-металлургическому Коль­ ского филиала АН СССР, горного дела Минчермета СССР, НИИОСПС, ИГД им. А. А. Скочинского, Московскому горному институту, Криворожскому НИГРИ, ДонУГИ и др.

Менее изучены методы определения давлений от веса скальных пород на подземные конструкции в выработках большого сечения. Эти методы могут быть различными. Одним из практикуемых за ру­ бежом является компенсационный метод, основанный на создание щели по контакту между породой и бетонной или набрызгбетонной крепью и установкой в этой щели плоских домкратов, датчиков или мессдоз различного типа, фиксирующих давление, при котором напряжения, существовавшие на контакте до образования щели, восстановятся до своего первоначального состояния.

Характерная диаграмма, построенная в 1970 г. и иллюстриру­ ющая радиальные контактные давления по контуру транспортного туннеля пролетом 11 м в нарушенных скальных породах в Пиренеях, показана на рис. 52, из которого виден рост контактных давлений со временем и неравномерность этих давлений. Подобное положение имеет место и во многих других крупных выработках [110].

В Советском Союзе для скальных пород практикуется способ измерения контактных давлений с применением различного типа динамометров или струнных мессдоз, в частности конструкции ЦНИИС Минтрансстроя. Эти мессдозы устанавливают в специальные блоки или тюбинги, из которых собирается сборная крепь или за­ тяжка между металлической арочной крепью. Применяют также гидравлические битумные динамометры, разработанные Институтом горного дела им. А. А. Скочинского, ВНИМИ и др. Опыт исполь­ зования динамометров горного давления струнного типа, вмонти­ рованных в динамометрические блоки, применительно к определе­ нию давления скальных пород в туннелях большого сечения описан в работе [48]. Блоки представляли собой полые металлические кон­ струкции из несущей рамы и защитных листов. Полости между ли­ стами заполнены обезвоженным битумом. Блоки устанавливали взамен затяжки между металлическими арками временной крепи

впределах центрального угла, равного 65°. Нагрузка от давления скальных пород равномерно распределялась в пределах динамометри­ ческого блока и фиксировалась динамометрами (мессдозами).

Давление на металлическую арочную крепь можно определить

имагнитоупругим методом без помощи мессдоз, в частности, порта­ тивным прибором, разработанным в ЦНИИС Минтрансстроя. Ра­ бота прибора основана на возникновении разности условий распро­ странения поляризованных электромагнитных колебаний в металло­ конструкциях по двум взаимно перпендикулярным направлениям при действии механических нагрузок и возникновении напряжений. Величину напряжений определяют по показаниям микроамперметра измерительного блока и пересчитывают по тарировочным кривым для металла, из которого изготовлены арки крепи. Замеры проводят

вопорных частях арок (места нулевых моментов). Полученные

Рис. 53. Диаграмма нагрузок на анкера и деформации контура опытной выработки

усилия уменьшают на величину напряжении, возникающих в стоиках от веса арок, затяжки и забутовки за крепью. С помощью этого при­ бора институт Оргэнергострой провел эксперименты по определению давления на крепь туннелей пролетом 9 м, залегающих в известняках VII—IX категорий по СНиП (см. табл. 19).

При анкерной крепи давление от веса горных пород замеряют специальными приборами ПА-3, устанавливаемыми со стороны вы­ работки между гайкой анкера и породой, или же определяют по деформациям анкеров с помощью тензодатчиков.

На рис. 53 показана диаграмма нагрузок на анкера и деформации контура опытной выработки высотой И м и шириной 9 м в различных точках (2—26). Такое сочетание экспериментов позволяет правильно оценить характер действия горного давления и запроектировать рациональную схему крепления подземного сооружения. Выработка

выработок. Как отмечалось в главе II, в горном массиве вокруг сооружаемых туннелей и других подземных выработок образуется зона нарушенных пород. Определение ее глубины имеет первосте­ пенное значение для расчета величины нагрузки на крепь и ее пара­ метров .

132

Фактическую глубину зоны нарушенных пород вокруг выработок можно определять специальными методами исследования, в част­ ности ультразвуковым методом [25]. Этот метод основан на извест­ ном снижении скорости распространения продольных колебаний в зависимости от степени пористости и трещиноватости горных пород.

По мере удаления от поверхности выработки в глубь массива, где породы менее повреждены, следует ожидать увеличения скорости распространения продольных ультразвуковых колебаний. Но, на­ чиная с определенной глубины, скорости остаются неизменными, хотя и могут отклоняться в известных пределах от средних значений ввиду естественной неоднородности физико-механических характе­ ристик исследуемых пород.

Определение величин зоны разрушенных пород вокруг подзем­ ных выработок методом сквозного прозвучивания массива между шпурами институт Оргэнергострой производил в 1963—1967 гг. при сооружении туннелей Токтогульской, Нурекской, Ингурской и Чарвакской ГЭС.

Использование сквозного прозвучивания породы между шпу­ рами вызывает известные трудности при измерениях ввиду факти­ ческой непараллельности расположения шпуров. При этом расстоя­ ние, на котором производится измерение времени распространения колебаний, может измениться от 8 до 10%, что вызывает ошибки при вычислении скорости, достигающие 20%.

Разработанное в институте Оргэнергострой угломерное приспосо­ бление позволяет с помощью транспортиров с точностью до 1° в двух плоскостях измерять углы отклонений шпуров от запроектирован­ ных направлений, что полностью исключает возможность ошибки при определении базы измерений.

При исследованиях применяли приборы УБ-1 и УКБ-1. Излу­ чателями и приемниками ультразвуковых импульсов служили пьезо­ преобразователи с батареей кристаллов сегнетовой соли размером 2 x 2 x 2 см, заключенные в металлические круглые корпуса. Как показал спектральный анализ, наибольший амплитудный вклад

Прижимают ультразвуковые преобразователи к стенкам сква­ жин с помощью двух пружин, заделанных в металлический корпус преобразователей. Излучатели и приемники крепили на штангах, состоящих из свинчиваемых элементов длиной по 0,5 м.

В туннелях на определенных участках пробуривали 3—4 шпура глубиной до 3 м и диаметром 42 мм, расположенные по углам квад­ рата или треугольника (рис. 54, а). Расстояние между шпурами на стенке или в своде выработки составляло в известняках и песчаниках 80—100 см, а в алевролитах 50—70 см.

Прямолинейность шпуров проверяли при помощи специального осветительного устройства, помещаемого на дно шпура, с направле­ нием света в сторону выработки. Стенки шпура, которые должны были касаться рабочих поверхностей преобразователей (излучателя

133

а

4

Рис. 54. Схема выполнения кодеров:

а— положение шпуров на 'стенах или

всводе выработок; .

б— прозвучивание с тремя перемеще­

ниями излучателя при одном поло­ жении приемника;

в— то же, с пятью перемещениями из­ лучателя;

1— излучатель;

2— приемник;

3 — стенка выработки;

4 — шпуры

и приемника) детально просматривали при помощи прибора РП-386 с шестикратным увеличением. При этом выявились все местные де­ фекты, которые могли служить причинами задержки распростране­ ния ультразвуковых колебаний (трещины, раковины) и фиксиро­ валось их положение.

Чтобы исключить влияние анизотропии породы и получить сред­ ние значения скорости для каждого значения глубины, измерения времени распространения ультразвуковых колебаний производили по различным направлениям. В плоскостях, параллельных контуру выработки, это достигалось попарным прозвучиванием 3—4 шпуров, а в плоскостях каждой пары — 3—5 перемещениями излучателя при одном положении приемника (см. рис. 54, б и в).

Прозвучивание каждой пары начиналось от контура выработки и проводилось в глубь массива с интервалом через 10 см.

Вблизи устья шпуров на индикаторе обычно не удавалось за­ фиксировать вступление волн из-за сильной раздробленности пород. Однако по мере удаления преобразователей в глубь массива принятый сигнал почти всегда просматривался достаточно четко, и по нему на индикаторе прибора в масштабе изображенных меток времени опре­

на приборе УКБ-1 отсчет снимался визуально.

По измеренным значениям базы прозвучивания и времени рас­ пространения колебаний вычисляли скорость прохождения про­ дольных волн в породе. На рис. 55 показана зависимость скорости распространения продольных ультразвуковых волн в породе ѵ от глубины шпура h в различных выработках. Кривые построены по данным табл. 32.

134