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

и стремится переместиться в сторону выработки. Этому препятствует сцепление породы, при недостаточной величине которого вступает в работу крепь, воспринимающая усилия от веса породы в пределах ослабленной (нарушенной) зоны.

Расчет по вывалам. Наиболее вероятно образование локальных вывалов в переслаивающихся, выветривающихся, тонкослоистых породах крепких и средней крепости, имеющих четко выраженные трещины напластования с прослоями из глинки или брекчии трения, особенно в условиях обводненности горного массива, а главным образом в зонах тектонических нарушений. Односторонние вывалы возможны при направлении выработок по простиранию пород или под острым углом к нему (примерно до 20°) Детальный анализ причин и размеров вывалов в трещиноватых породах дан в работах

[49, 54, 68 и др.].

Размеры возможных вывалов увеличиваются при пологом залега­ нии пластов, в зонах влияния разломов, в контактно-метаморфи­ ческих зонах, в которых порода, как правило, ослаблена и нарушена до состояния разборной скалы, при наличии блочности и сильной трещиноватости пород, а также при увеличении пролета выра­ ботки.

Вывалы могут происходить не только в процессе проходки выра­ ботки, но и при эксплуатации сооружения. Причинами таких «запоз­ далых» вывалов являются постепенный размыв материала, заполня­ ющего трещины, внезапные сейсмические воздействия и др. В том случае, если выработка закреплена, вывал может оказать давление на крепь в наиболее невыгодном месте по условиям работы кон­ струкции. Такой вывал вызовет резкое перераспределение усилий в крепи, что может привести к ее нарушению.

Чаще всего вывалы имеют форму, приближающуюся к треуголь­ ной с вершиной в замке свода. Ширина вывала составляет от Ѵ4 до целого пролета и больше, а минимальная ширина — примерно 3 м. Имеется ряд исследований, позволяющих определить глубину воз­ можного вывала (Терцаги, Стини и др.). Исследования основаны на натурных наблюдениях, проведенных, как правило, в туннелях пролетом не более 8 м. Использование этих данных для вырабо­ ток большего пролета приводит к ошибке в результатах на 50%

иболее, поэтому распространение существующих рекомендаций для крупных подземных сооружений представляется несколько услов­ ным и неоправданным.

При проектировании железнодорожных, автодорожных туннелей

иметрополитенов широко распространена теория горного давления М. М. Протодьяконова. По этой теории над выработкой при про­ ходке образуется вывал, верхняя граница которого носит название свода давления и имеет параболическое очертание. Для больших пролетов выработок в крепких породах результаты по этой теории часто не совпадают с практикой, поэтому для гидротехнических туннелей применение формул М. М. Протодьяконова ограничено

пролетами до 6 м и породами не выше средней крепости.

На рис. 10 показана зависимость высоты вывала породы над вы­ работкой от коэффициента крепости пород по шкале проф. М. М. Протодьяконова и при различных диаметрах туннеля. Можно заме­ тить, что в крепких породах (/ > 10) влияние крепости породы на величину вывала для одного и того же диаметра выработки почти отсутствует, при этом ни трещиноватость, ни блочность породы не учитываются. Это обстоятельство в значительной мере снижает достоверность расчетов по формулам М. М. Протодьяконова для

Рис. 10. Зависимость высоты вывала породы от коэффициента крепости пород по шкале проф. М. М. Протодья. конова при диаметре туннеля:

і — 15 м; 2 — 10 м; 3 — 5 м

крепких пород. В этих породах фактические размеры вывалов при­ мерно в 2 раза выше, чем по графику, приведенному на рис. 10.

С целью оценки размеров вывалов в наиболее характерных пе­ реслаивающихся породах крепких и средней крепости (песчаники и алевролиты) с прослоями из глинки и брекчии трения проведен анализ вывалов, образовавшихся в ходе строительства туннелей про­

взрыва зарядов в забое.

Анализ вида кривых, ограничивающих свод обрушения, позво­ лил установить, что с наименьшим отклонением от натурных данных

где р — расстояние от центра окружности свода выработки до гра­ ницы свода обрушения, м;

R о — радиус свода выработки, м;

ф— угол между горизонталью и радиусом-вектором к опреде­ ляемой точке, рад.

Параметр т должен определяться на стадии рабочих чертежей в зависимости от характеристик породы (трещиноватость, крепость, обводненность и др.) на основании статистической обработки натур­ ных наблюдений в процессе строительства. Обработка 45 вывалов

34

Таблица 10

Рис. 11. Характерные вывалы породы при проходке выработок большого сечения:

1 — наружный контур крепи; 2 — фактическое очертание свода обрушения; 3 — пропластки слабых пород

позволяет рекомендовать принимать параметр т на стадии проект­ ного задания по табл. 11 для пород, в которых возможны вывалы.

Проверка полученной формулы, например, для пород VIII кате­ гории дает хорошую сходимость результатов натурных измерений и вычисленных значений р (табл. 12).

Таблица И

Категория Характеристика породы породы Параметр т

по СНиП

Наибольшая высота вывала (глубина нарушенной зоны) hH опре­

где а о — центральный угол свода выработки, получаем

= Р(і|з= ü ) ^о>

или

По формуле (3) получена табл. 13, позволяющая определить п г Глубина зоны нарушенных пород вокруг выработки, необходи­ мая для расчета нагрузок на крепь по второй исходной предпосылке (нарушенная зона), может быть определена двумя способами в зави­ симости от характеристик горного массива. В однородных слаботре­ щиноватых породах (VIII категории и выше по СНиП) можно воспользоваться решениями теории упругости, в остальных же случаях целесообразно применить решения смешанной — упруго­

пластической задачи.

Рис. 12. Расчетная схема к образова­ нию вывала породы над выработкой:

1 — наружный проектный контур крепи;

2 — теоретическое очертание свода об­ рушения;

3— расчетный вывал породы (свод об­ рушения)

Таблица 13

где Рв — вертикальное давление на границе, принимаемое равным

г — расстояние от центра выработки до рассматриваемой точки;

37

Ѳ — угол между радиусом-вектором г и вертикальным диа­ метром выработки;

к — коэффициент бокового распора, равный отношению гори­

зонтального давления к вертикальному; в свою очередь, для массива имеем

ц — коэффициент Пуассона.

Для к = 0 уравнение (4) превращается в решение задачи Кирша.

Рис. 13. Зависимость относительного

R

радиуса нарушенной зоны —— от числа

Пуассона —

Н

Глубина нарушенной зоны может быть условно определена как равная высоте области растягивающих напряжений в породе над верхним сечением свода выработки. При таком подходе глубина нарушенной зоны оказывается несколько завышенной, что может быть оправдано неточностью в определении упругих характеристик горного массива. Погрешность идет в запас прочности сооружения.

Используя уравнение (4) для определения нормальных танген­ циальных напряжений ot в массиве вокруг выработки, зададим

нарушенной зоны, т. е. области между растягивающими и сжима­

38

По значению а, полученному из выражения (5), можно опреде­ лить глубину нарушенной (растянутой) зоны. На графике (рис. 13)

Эти формулы справедливы для упругой среды. Между тем в про­ цессе проходки от действия взрыва вокруг выработки в породе образуется область сильно развитой трещиноватости, не способная сопротивляться растягивающим усилиям. Таким образом, радиус выработки R о, входящий в формулу (5), должен быть увеличен на глубину этого нарушения, равную ао, т. е. радиусу действия заряда взрывчатых веществ (ВВ) в шпуре.

Распространение трещиноватости в глубь массива после взрыва может быть приближенно определено, исходя из следующих пред­ посылок. Радиус действия удлиненного заряда взрывчатого веще­

Упростим формулу (7). Для этого введем поправочный коэффи­ циент ех, равный отношению работоспособности применяемого ВВ к 437. Кроме того, полагаем, что 13 = 0,7 I. Тогда глубина наруше­ ния породного массива над контуром выработки от действия взрыва зарядов

Обычно контурные шпуры заряжают сплошным зарядом патро­ нами из аммонита В-3 или № 6 работоспособностью 360 см3; диаметр патронов этих ВВ равен 32 мм. Тогда коэффициент z в зависимости

39

Глубина нарушенной зоны с учетом формулы (5')

К — R — Ro — Ro 1) + '^_ао- (10)

где а = У у, а 1/а определяют по графику, приведенному на рис. 13,

причем при р, 0,25 следует принимать а = 1, т. е. растягивающих напряжений в своде нет, а hH= а0.

Формула (10) относится к выработкам с полуциркульным очерта­ нием свода. Взамен радиуса выработки R о введем в расчет ее про­ лет Ь0

Тогда

Упругопластическая задача. Глубину нарушенной зоны в резуль­ тате решения упругопластической задачи можно определить из выражения [41 ]

Ъо — пролет выработки; кф — коэффициент формы; ср — угол вну­ треннего трения породы; с — величина сцепления; Н — глубина залегания выработки; у — объемный вес породы.

По формуле (15) построен график (рис. 14) изменения относитель­ ного радиуса нарушенной зоны х в зависимости от угла внутреннего трения породы <р и безразмерного параметра с/уН. Величины ср и с необходимо определять в натуре. Для предварительных подсчетов можно воспользоваться известными данными, в частности приведен­ ными в табл. 14 [107].

40

где / — коэффициент крепости породы по шкале проф. М. М. Протодьяконова.

41

Обобщенная формула глубины нарушенной зоны. Глубину зоны нарушенных пород в выработках большого сечения можно опреде­ лять по обобщенной формуле

По формулам, приведенным в табл. 15, произведены многочислен­ ные вычисления для различных инженерно-геологических условий и параметров выработок. В результате статистического анализа получена и рекомендуется табл. 16 для определения численного значения коэффициента пропорциональности к, входящего в фор­ мулу (17).

В сильнотрещиноватых, силыювыветрившихся, вывалоопасных породах величину к следует определять экспериментально (на моде­ лях или в натуре), а на предварительных стадиях проектирования

зоны Лн

42