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

г'.м/С'

5000

4600

4200

3300

Я.м/с 5000

4600

4200

3800

ж

Рис. 55. Зависимость скорости распространения продольных ультразвуковых волн в породе от глубины шпура в различных выработках (к табл. 32)

При определении глубины кя зоны нарушенных пород вокруг подземной выработки учитывали, что скорость распространения ультразвуковых колебаний с уменьшением трещиноватости и с уве­ личением сжимающих напряжений возрастает. Поэтому область максимальных скоростей характеризует наружную границу нарушен­ ной зоны, где располагаются наиболее сохранные породы и имеют место наибольшие сжимающие напряжения в стенках в результате их концентрации вокруг выработки.

Коэффициент вариации при определении скорости распростране­ ния продольных волн в области наружной границы нарушенной зоны изменялся от 5 до 14 %.

Если принять, что скорость распространения продольных ульт­ развуковых волн изменяется обратно пропорционально трещино­

ватости породы, то отношение а коэффициента трещиноватости

135

ненарушенной породы горного массива к среднему коэффициенту трещиноватости в пределах зоны можно представить в виде:

Vсредняя скорость распространения ультразвуковых волн в пределах нарушенной зоны (на участке шпура длиной hH), определяемая по экспериментальным кри­ вым (см. рис. 55) по формуле

hH— глубина нарушенной зоны;

АI — элементарный участок длины шпура;

Ѵі — средняя скорость распространения ультразвуковых волн на участке Аl.

Кроме того, известно, что модуль упругости породы пропорцио­ нален квадрату скорости распространения продольных ультразву­ ковых волн. Тогда средний модуль упругости породы в пределах

где Е — модуль упругости породы в массиве за пределами нарушен­ ной зоны.

Из анализа приведенных кривых (см. рис. 55), получено, что

коэффициент а меняется в пределах 0,68—0,76. Это значит, что тре­ щиноватость породы в нарушенной зоне вокруг выработок увеличи­ вается на 30—50% по сравнению с остальным массивом, а модуль упругости породы в пределах этой зоны в 2 раза ниже, чем в осталь­ ном массиве. Следует отметить, что примерно такие же результаты получены прессиометрическими измерениями, проведенными на мно­ гочисленных объектах сотрудниками НИИ оснований и подземных сооружений под руководством К. В. Руппенейта.

Результаты некоторых работ института Оргэнергострой по опре­ делению глубины нарушенной зоны в течение ряда лет приведены в табл. 32.

Выполненные работы позволили подтвердить существование на­ рушенной зоны вокруг подземных выработок с использованием ульт­ развукового метода для определения ее размеров. На основании этих исследований были уточнены параметры анкерной крепи в конкрет­ ных условиях, что способствовало ее широкому внедрению в гидро­ технических туннелях большого сечения.

136

Таблица 32

137

Продолжение табл. 32

вгорном деле как для определения размеров нарушенной зоны, так и для оценки физико-механических характеристик горного массива. Работы в области применения и совершенствования ультра­ звукового метода для указанных целей в настоящее время проводятся

вМосковском горном институте, институте Гидропроект и в ряде других организаций. Распространен также метод, основанный на исследовании частоты звуковых импульсов при появлении микро­ трещин в породе. Анализ современного состояния акустических методов исследования и контроля горных пород в массиве дан

с использованием микровзрывов и геофонов, регистрирующих про­ хождение звуковых волн.

Определение размеров нарушенной зоны инструментальными ме­ тодами ведет, в частности, ВНИИЦветмет, который для этой цели с 1964 г. применяет специальные индикаторные штанги с наклеен­ ными тензодатчиками. Аналогичные работы ведут ВНИМИ и другие организации.

Для приближенной оценки глубины зоны нарушенных пород могут быть использованы методы, основанные на осмотре шпуров

допускают возможность существенной погрешности, поскольку оценка сплошности массива и керна в значительной степени за­ висит от качества бурения и других факторов.

138

Зона нарушенных пород может быть также замерена э д е к т р о - м”е т р и ч е с к и м и и р а д и о м е т р и ч е с к и м и методами. В первом случае измеряют электрическое сопротивление пород от контура выработки в глубь массива, во втором случае определяют изменение интенсивности гамма-излучения с глубиной в породном массиве вокруг выработки. Применение этих методов требует ис­ пользования специальной аппаратуры и квалифицированных опе­ раторов. Кроме того, измерения могут сопровождаться рядом по­ грешностей, так как зависят от влажности пород и многих других трудно оцениваемых факторов.

В 1965 г. был предложен реометрический (фильтрационный) метод исследования трещиноватости пород в массиве, окружающем выработку. Метод основан на способности массива фильтровать газ или жидкость (воздух, воду, эмульсию). При этом по мере раскрытия трещин скорость фильтрации увеличивается. Размеры зоны раскры­ тых трещин определяют, исходя из сравнения скоростей фильтра­ ции в массиве на значительном удалении от контура выработки (за пределами области влияния выработки) и в непосредственной бли­ зости от нее. Реометрический метод применительно к определению размеров нарушенной зоны в значительной степени развит и усовер­ шенствован работами горно-металлургического института Кольского филиала АН СССР и обобщен в специальном руководстве.

Надежное измерение параметров нарушенной зоны можно реко­ мендовать производить реометрическим методом в сочетании с ультра­ звуковым [66].

Устойчивость сооружений. Оценка устойчивости подземного со­ оружения в процессе его строительства, производится по деформациям и перемещениям горного массива и крепей. По результатам наблю­ дений за приборами обычно строят графики деформаций, позволя­ ющие оценить характер нарастания подвижек или их стабилизацию. В том случае если графики показывают длительный резкий рост де­ формаций без выполаживания кривой, необходимо принимать меры по изменению способов разработки выработки и усилению крепи. Следует отметить, что длительные измерения, приводимые ниже, были выполнены в выработках, закрепленных анкерами и набрызгбетоном.

Такие натурные исследования за рубежом проводят сейчас прак­ тически во всех строящихся крупных подземных объектах. В Совет­ ском Союзе подобные эксперименты выполняют только в шахтных выработках, а в подземных сооружениях большого сечения, залега­ ющих в скальных породах, они не стали еще системой, ведут их пока

вединичных случаях.

Внастоящее время применяют несколько типов устанавливаемых

вскважинах измерительных приборов для исследований деформаций горного массива [28 и др.].

Простая конструкция глубинного репера, позволяющего оценить

деформацию породы в пределах нарушенной зоны, разработана шахтным научно-исследовательским и проектно-конструкторским

139

/ . Г л у б и н а а н к е р а Ю м

Рис. 56. Конструкции измерительных анкеров:

а — с применением тензодатчиков; 6 — с применением деформометров;

4— опорная гайка;

5— тензодатчики;

в— бетонная подготовка;

7— слой набрызгбетона; s — деформометр

угольным институтом и применена в условиях шахт комбината Ростовуголь [35]. Репер представляет собой вставленную в шпур кон­ струкцию, состоящую из втулок, металлических и прорезиненных шайб, которые служат для раскрепления репера в шпуре. Каждый глубинный репер имеет самостоятельный вывод к устью шпура из гибкого провода диаметром 0,6—0,8 мм. В шпуре, пробуренном на глубину 2—3 м, может быть установлено от 3 до 10 глубинных реперов, конструкция их позволяет пропуск провода от вышерасположенных реперов. Измерение величины смещения глубинных реперов производят рулеткой от гибкой горизонтальной нити, на­ тянутой между стенками выработки, или от контурных реперов закладываемых в почве выработки на одной вертикальной линии. Примерно аналогичные репера конструкции ДонУГИ, МГИ, Дне пропетровского горного института применяют для замеров смещения

из-за неудобства организации инструментальных наблюдений.

На рис. 56 показана характерная простейшая конструкция из­ мерительного анкера. Удлинение его в результате перемещения породного массива вокруг выработки фиксируется датчиками или деформометром, установленном на свободном конце анкера.

При строительстве ряда крупных камер были применены дефор­ мометры, позволяющие регистрировать продольные и поперечные

140

деформации в массиве на глу­ бине до 50 м от устья скважины. Конструкции этих деформометров (с проволочными или фоль­ говыми, струнными, потенцио­ метрическими, индуктивными, электрогидравлическими и дру­ гими типами датчиков) описаны

в работах [28, 84, 105, 108 и

ДР-]Интересен. пример проведе- © /гттаявб.Л*и ' ния комплексных натурных исследований для оценки ус­ тойчивости подземной камеры ГАЭС Ропковалъгранде [73, 108], схема крепления которой была показана на рис. 23.

Врайоне камеры до начала

еестроительства были пробу­ рены 32 скважины общей дли­ ной 4 км и на каждые 10 м глу­ бины проведены измерения ско­ рости распространения сейс­ мических волн, а затем в сква­ жинах был осуществлен деталь­

роды домкратами. Испытания показали, что порода обладает ярко выраженной анизотропией, так как величина модуля деформации со­

личие в величинах бытовых напряжений вызваны действием текто­ нических сил.

В ходе строительства были установлены 10 экстензометров (деформометров) в скважинах с головками, расположенными на рас­ стоянии от устья 1,5; 4,8; 12; 16; 25; 37 и 50 м.

На рис. 57 показана одна из эпюр деформаций горного массива на одном из этапов разработки камеры. Цифры, приведенные вдоль

141

Рис. 58. Диаграмма деформаций породы во времени (по отдельным экстензометрам)

каждой скважины, указывают на величину смещения головки по отношению к самой глубокой, принимаемой за неподвижную. В то время как в конце 1969 г. осадка в замке свода достигла почти своего максимума — 10,0 мм (экстензометр 1), смещение у пят было менее заметным — с одной стороны 9,2 мм (экстензометр 3), а с другой 0,2 мм (экстензометр 2). Экстензометр 9 на стенке камеры зафикси­ ровал первые смещения породы, когда проходка велась на 6 м выше уровня прибора. По мере проходки смещение увеличилось и, когда горизонт разработки опустился на 5 м ниже уровня прибора, до­ стигло 26,1 мм. Столь высока деформация объясняется отслоением породы в торце камеры.

На рис. 58 показаны временные диаграммы перемещений по раз­ личным экстензометрам. Можно заметить стабилизацию деформа­ ций, начиная с определенного времени. Аналогичное положение прослеживается и на других выработках [110 и др.].

Диаграмма перемещения участка стены в течение двух месяцев в японской камере Кисеняма пролетом 25,6 м, длиной 60 м и высотой 51 м показана на рис. 59, а (см. рис. 39). Перемещение одной из стен, расположенной в более слабой породе, внутрь выработки со-

142

б

Рис. 59. Диаграммы перемещения участка стены крупной камеры и конструкции усиления крепи стены

ставило до 40 мм, пришлось остановить разработку породы и принять меры к усилению крепи (рис. 59, б), после чего деформации прекра­ тились.

В ходе проектирования подземного машинного зала гидроакку­ мулирующей станции Валъдек I I (см. рис. 26) была проведена де­ тальная инженерно-геологическая разведка. В частности, пройдено 1300 м штолен и 1500 м скважин общей стоимостью 1,9 млн. марок ФРГ. В ходе разведочных работ была сооружена опытная камерная выработка (см. рис. 53).

На основании результатов инженерно-геологических изысканий был выполнен расчет напряженного состояния массива вокруг вы­ работки методом конечных элементов. Кроме того, выполнены ис­ следования на ряде моделей из оптически активных материалов из однородных и составных пластин.

Наряду с этим было установлено, что несмотря на цикл иссле­ дований, проведенных в опытной камерной выработке, распростра­ нить результаты на основное сооружение не представляется возмож­ ным. Это связано как с сопоставительными размерами (рис. 60), так и с тем обстоятельством, что инженерно-геологические условия не одинаковы по длине основной камеры. Кроме того, пришли к вы­ воду, что точный расчет устойчивости крупной выработки в неод­ нородных относительно слабых породах в настоящее время невозмо­ жен из-за недостаточной достоверности исходных данных.

143

В сооружаемой камере машинного зала установлено 46 экстензометров длиной 35—40 м с применением измерительных головок, состоящих из индуктивных датчиков. Измерения деформаций про­ водились на глубине 1, 5, 10, 25 и 40 м от внутренней поверхности камеры. Было определено, что влияние выработки распространяется в обе стороны примерно на величину ее пролета, а затем существенно ослабевает.

Деформации стен и свода контролировались приборами, устано­ вленными в упорных головках предварительно-напряженных анке­

Рис. 60. Сопоставление размеров под­ земного маш инного зала и опытной камеры:

1 — подземный машинный зал пло­ щадью 1390 м2;

2 — опытная камера площадью 90 м2

втечение 5 лет, основная задача его — своевременное принятие мер к усилению крепи, в частности к сокращению шага анкеров.

Приведенные примеры измерения деформаций контура выработки показывают на чрезвычайную важность подобных работ, особенно для выработок большого поперечного сечения. Эти замеры позволяют оперативно принять правильное решение по укреплению выработки, усилению ее устойчивости и откорректировать принятые в проекте способы раскрытия поперечного сечения и способы производства подземных работ.

Винституте Оргэнергострой в течение ряда лет ведутся работы

внатуре по изучению деформаций породы и крепей, особенно анкер­ ной и набрызгбетонной, в выработках большого сечения.

Контроль за деформациями закрепленных выработок в скальных породах производили с помощью различных приборов, сопоставле­ ние данных которых показало, что достаточно надежными являются индикаторные и реостатные штанговые датчики, репера конструкции СибЦНИИС, индикаторные штанги и глубинные тензометры кон­ струкции института Оргэнергостроя, деформометры конструкции ЦНИИС и некоторые другие приборы.

144