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

Таблица 16

Для выработок, проходящих в породах V—VI категорий по СНиП, значение коэффициента к в табл. 16 следует в зависимости от глубины заложения туннеля умножать на поправочный коэффи­ циент, имеющий следующие значения:

Интересно заметить, что по своему виду формула (17) совпадает с известной формулой М. М. Протодьяконова для крепких пород. Но по формуле М. М. Протодьяконова в диапазоне пород с коэффи­ циентами крепости / = 4 ч- 15 коэффициент пропорциональности меняется лишь в пределах от 0,12 до 0,03, что значительно ниже данных, приведенных в табл. 16.

В институте Оргэнергострой глубину нарушенной зоны опреде­ ляли в натуре ультразвуковым методом. В табл. 17 приведены резуль­ таты замеров и величины, полученные расчетом по формуле (17),

категорий по СНиП, для общности результатов расчеты глубины нарушенной зоны по рекомендуемым формулам в сводной таблице проведены по всем 12 экспериментам без выборки соответствующих инженерно-геологических условий.

Из табл. 17 следует, что совпадение расчетных величин с натур­ ными замерами достаточно близкое. В частности, глубина нарушен­ ной зоны по расчету отличается от фактической в основном не более чем на ±10% .

Нагрузка на крепь. Результаты, полученные выше, позволяют перейти к определению величины расчетной нагрузки на крепь от давления скальных пород. Эту нагрузку в общем виде можно выра­ зить формулой

где у — объемный вес породы;

ha — глубина нарушенной зоны, определяемая экспериментально или по формуле (17);

ß— коэффициент, зависящий от глубины нарушенной зоны, параметров крепи и других факторов.

43

Таблица 17

Предельная нагрузка будет определяться весом полного столба породы, расположенной над выработкой. Такая нагрузка может иметь место в районе порталов выработок, приближенных к поверх­ ности или к слабому пласту пород. Можно полагать, что при глубине расположения выработки от замка свода до поверхности земли менее некоторой определенной величины Но нагрузку на крепь необходимо принимать равной полному весу пород над выработкой, так как эти породы ослаблены в процессе проходки и выветрены с поверхности. В этом случае ß = 1, а ha = Н, тогда

где глубина залегания выработки Н ^ Но.

Значение Но для выработок больших размеров можно опреде­ лить из условия, что разгружающий свод над нарушенной зоной

44

образуется только при толщине перекрывающего выработку слоя грунта, равной не менее двойной стрелы свода обрушения, вычислен­ ной по теории М. М. Протодьяконова с учетом бокового давле­ ния, т. е.

Для определения нагрузки по условиям образования вывала вернемся к вышеприведенным формулам. Объем свода обрушения но6р на 1 м выработки вычисляется как разница площадей секторов, ограниченных кривой свода обрушения р и радиусом свода выра­

Равномерно распределенная нагрузка q, отнесенная к периметру свода выработки,

45

Если же воспользоваться формулой (21), то глубину зоны hH следует определять по формуле (2), а коэффициент ß в этом случае будет равен

ß = С»)

где п 1 и п — коэффициенты, определяемые по данным табл. 13 и 18. В остальных двух расчетных случаях определения глубины нару­ шенной зоны [см. формулы (14) и (12)] нагрузку вычисляют по формуле (21), причем в запас в первом приближении коэффициент ß может быть задан равным 1. В этой связи, однако, представляет интерес мнение Г. Кастнера [96], который, рассматривая своды выработок больших сечений в скальных породах, пришел к выводу, что вследствие значительных пролетов и обычно пологих сводов нагрузку необходимо принимать равномерно распределенной по всему пролету и равной полному весу пород нарушенной зоны. Глубину этой зоны он рекомендует определять экспериментальным путем и считает, что для крепких устойчивых пород ее величина находится в пределах до 3 м. Кастпер далее отмечает, что для не очень пологих сводов выработок в нарушенной зоне формируется породный свод, и это обстоятельство позволяет принимать для

расчета крепи неполный вес породы в этой зоне.

Таким образом, коэффициент ß в формуле (21) в общем случае меньше или равен единице. Определение коэффициента ß, учитыва­ ющего распор породного свода, при известной глубине зоны hR, вычисленной по формуле (17), может быть выполнено следующим образом.

Породу в нарушенной зоне рассматривают как свод, деформиру­ ющийся под действием собственного веса. Расчет по известным форму­ лам строительной механики позволяет определить величины проги­ бов и участок, на котором свод перемещается внутрь выработки. Далее определяют нагрузку на свод со стороны выработки в преде­ лах указанного участка. Вызываемое этой нагрузкой перемещение замка породного свода равно по величине и противоположно по направлению прогибу в этой точке от собственного веса. Отношение «компенсирующей» нагрузки к интенсивности собственного веса характеризует коэффициент ß, т. е. искомое уменьшение горного

давления.

Для упрощения расчета вводят ряд допущений, идущих в запас прочности сооружения: породный свод считают полностью отделен­ ным от горного массива по наружному контуру, ось свода очерчена по окружности, толщину его принимают постоянной, пяты — шар­ нирно-опертыми. Деформацию породного свода от собственного веса определяют вначале в запас прочности без учета реакции крепи, поскольку в большинстве случаев крепь не сразу вступает в работу. В ходе дальнейшего расчета «компенсирующую» нагрузку (реакцию крепи) определяют из условия, чтобы суммарная (полная) деформа­ ция породы не превосходила величины начальной осадки, имеющей место до вступления крепи в работу.

46

Расчеты показали, что коэффициент ß увеличивается с возраста­ нием центрального угла свода. Это объясняется тем, что распор свода тем больше, чем меньше отношение стрелы к пролету, т. е. чем меньше центральный угол свода. В свою очередь, увеличение распора соответствует повышению нормальной силы, сжимающей породный свод и способствующей большему сцеплению между его частицами и, следовательно, меньшей деформируемости. В резуль­ тате расчета коэффициент ß в зависимости от центрального угла свода выработки имеет следующие значения:

Коэффициент ß следует принимать равным 1 в сильнотрещино­ ватых скальных грунтах и при глубине нарушенной зоны менее 1,5 м, т. е. в условиях, где образование несущего породного свода мало вероятно.

Для сопоставления предлагаемых формул по определению нагру­ зок на крепь от давления скальных пород с натурными данными, воспользуемся результатами двух серий экспериментов (табл. 19), проведенных институтом Гидроспецпроект в туннелях Нурекской ГЭС в 1963—1964 гг. [48] и институтом Оргэнергострой в туннелях Чарвакской ГЭС в 1966 г., закрепленных металлической арочной крепью. Описание этих экспериментов приведено в главе III.

При сопоставлении расчетных величин давления в табл. 19 было принято:

по Славину — породы трещиноватые, нагрузка q = 0,27 bl; по Терцаги — породы крепкие, малотрещиноватые, высота вы­

вала hB — (0 -ф- 0,25) Ъо;

по Стини — породы слабонарушенные, глубина зоны обрушения

Статистическая обработка результатов таблицы показывает, что среднеквадратичное отклонение а расчетных значений относительно натурных составляет, тс/м2:

При определении о по формуле Терцаги принимали средние значения нагрузок, приведенных в табл. 19, а по формуле Стини— наименьшие значения. Таким образом, обе эти формулы были постав­ лены в более выгодные условия, иначе величина о оказалась бы зна­ чительно больше. Следует иметь в виду, что о получены при сравни­ тельно малых величинах давления на крепь в натуре, поэтому отно­ сительная разница в расчетных и фактических данных оказывается достаточно большой.

47

48

§ 4. Типы крепи

Металлическая арочная крепь. Еще 10 лет назад в отечественных выработках большого сечения преобладающее распространение, независимо от инженерно-геологических условий, имела металличе­ ская арочная или рамная крепь. В то время применение арочной или рамной крепи явилось прогрессивным решением, поскольку она заменила собой веерную деревянную крепь, загромождающую выработку и чрезвычайно трудоемкую в исполнении.

Со временем значительный расход металла, дороговизна и серь­ езные дефекты, присущие арочной крепи при применении ее в тун­ нелях большого пролета, разрабатываемых в скальных породах, потребовали ограничить использование этой крепи и допускать ее установку лишь при вполне определенных условиях.

Масса одной арки при больших пролетах туннелей достигает около 1 т, расход металла на 1 м выработки составляет от 600 до 1800 кг, а стоимость арочной крепи на 1 м доходит до 200 руб. Область применения арочной крепи продолжает пока оставаться достаточно широкой — это в основном мягкие породы. Арки необ­ ходимо устанавливать на расстоянии не более 1 м и соединять в про­ дольном направлении жесткими металлическими распорками (по 1—2 распорки на каждый элемент) для образования прочной простран­ ственной конструкции и тщательно расклинивать в породу. Кровлю и бока выработки рекомендуется закреплять предварительно-напря­ женными железобетонными или армоцементными плитами или же торкретировать породу в пространстве между арками. Зазоры между затяжкой и контуром выработки необходимо забучивать крепкой породой. Элементы арок необходимо соединять между собой не торцовыми замками, а продольными накладками, обеспечивающими равнопрочность конструкции.

При использовании арочной крепи на длительный срок во избе­ жание коррозии металла арки рекомендуется покрывать масляно­ битумным лаком, битумом марки IV с добавкой каолина, антикорро­ зийной смазкой ЗИЛ или же торкретировать цементно-песчаным раствором. Арки целесообразно выполнять из стали повышенного качества, например строительной низколегированной НЛ-2. Это по­ зволяет повысить их несущую способность, снизить массу и улуч­ шить антикоррозийные качества.

В слабых породах расклиненную в породу арочную крепь целе­ сообразно обетонировать, т. е. пространство между породой и аркой заполнить бетонной смесью. Опалубку при этом необходимо уста­ навливать между полками двутавра так, чтобы одна из полок ока­ залась в бетоне. Опалубка может быть наборная из железобетонных, армоцементных или деревянных досок (взамен затяжки) или же сетчатая из проволоки толщиной 1 мм с ячейками размером 2 X 2— 4 X 4 мм. Обетонированная металлическая арочная крепь обладает наибольшей жесткостью и несущей способностью из всех существу­ ющих видов крепи.

Для уменьшения расхода металла арочная крепь может быть выполнена также в виде отдельных элементов армокаркасов, соеди­

почти повсеместно отказываются от арок и применяют анкерную крепь. Используя несущую способность горного массива, анкерная крепь повышает устойчивость выработки при статических и динами­ ческих нагрузках.

К преимуществу анкерной крепи относится незначительный расход металла (от 40 до 100 кг на 1 м) и отсутствие леса. Анкерная крепь в несколько раз дешевле арочной, стоимость ее обычно не превышает 60 руб. на 1 м туннеля. Экономия на 1 м туннеля при анкерной крепи по сравнению с арочной крепью приведена в табл. 20, составленной по данным наблюдений и расчетов институтов Оргэнергострой и Гидроспецпроект.

Таблица 20

Широкое внедрение анкерной крепи в последние годы значительно сокращает расходы на подземное строительство. Только на гидро­ технических туннелях в настоящее время ежегодно экономится 2 тыс. т прокатного металла, 5 тыс. м3 леса, около 0,5 млн. руб. За 1965—1970 гг. при проходке гидротехнических туннелей и камер большого сечения анкерами было закреплено около 20 км вырабо­ ток, или 250 тыс. м2 поверхности, что позволило сэкономить 10 тыс. т металла и не менее 2 млн. руб.

Анкерная крепь в отличие от арочной не стесняет сечения выра­ ботки, изменение форм или размеров туннеля не влечет за собой изменения конструкции крепи, меняются лишь глубина и шаг анке­ ров и в ряде случаев их направление. Металлическая сетка не пре­ пятствует контакту крепи с породой, объем заполиительной цемен­ тации сокращается до минимума, а качество крепи, в которой нет деревянных элементов и бетон соприкасается непосредственно с поро­ дой по всему периметру, значительно повышается.

Рекомендуются к применению следующие основные типы анке­ ров: металлические (клинощелевые и распорные), железобетонные

50

с предварительным заполнением шпура раствором и последующей установкой штанги из арматуры периодического профиля.

Железобетонные анкера наиболее экономичны (в 1,5—2 раза дешевле остальных типов анкеров), обладают высокой несущей способностью (10—12 тс), мало зависящей от характеристики скаль­ ной породы и от действия взрыва, не требуют периодического под­ тягивания и точного соблюдения глубины и диаметра шпура, сравни­ тельно легко могут быть установлены на глубину до 4 м. Следует иметь в виду, однако, повышенную трудоемкость установки железо­ бетонных анкеров, а также, что сетку на эти анкера можно навеши­ вать не ранее чем через 3—4 ч после установки, а взрыв может быть разрешен лишь по истечении 6—8 ч. Уменьшение этих интервалов, а также использование железобетонных анкеров в обводненных или в вечномерзлых породах возможно при применении ускорителей схватывания, однако этот вопрос исследован пока недостаточно.

Перспективными для выработок большого сечения являются анкера, закрепляемые на синтетических смолах. Эти анкера по срав­ нению с другими типами, в частности с железобетонными, имеют определенные преимущества. К их числу относятся: быстрое вступ­ ление в работу после установки, что особенно важно при креплении неустойчивых водонасыщенных пород, высокая антикоррозийность конструкции, стойкость к сейсмическим воздействиям, надежное склеивание металлического армирующего стержня с массивом и др. Подобные анкера широко распространены в ряде стран. Например, в НРБ за год устанавливают 25 тысяч таких анкеров с положитель­ ным результатом, во Франции только в одном районе на шахтах в течение месяца устанавливают 5—6 тысяч анкеров на синтетиче­ ских смолах.

Конструкция таких анкеров, состав смол и технология установки анкеров подробно описаны в работах [34, 38]. В Советском Союзе, в частности в Ленинградском горном институте, в институте Оргэнергострой и других организациях, проводят эксперименты по применению анкеров на смолах. В настоящее время достигнуты определенные результаты по подбору составов на отечественных материалах и в разработке технологии. Вместе с тем для выработок большого сечения применять в промышленном масштабе эти анкера у нас пока несколько преждевременно из-за высокой стоимости синтетических материалов, а также вследствие недостатка экспери­ ментов в области подтверждения длительной прочности и устойчи­ вости закрепленных участков выработок в слабых породах.

Изучение в натуре несущей способности металлических и железо­ бетонных анкеров с оценкой влияния взрывных работ в выработках большого сечения было проведено, в частности, институтом Оргэнергострой в различных инженерно-геологических условиях.

Несущую способность металлических клинощелевых анкеров определяли в зависимости от крепости породы и диаметра головки анкера (рис. 15). Как следует из экспериментальных графиков, наибольшая несущая способность (9 тс) достигается, например,

б

Рис. 15. Зависимость несущей спо­ собности клинощелевых анкеров от разности между диаметрами шпура и головки анкера (а) и коэффици­ ента крепости пород (б)

Рис. 16. Зависимость натяжения клинощелевых анкеров от расстоя­ ния места взрыва до анкеров:

4 — то же 25 м; кружочками от­ мечены моменты проведения взрывов

В ре мя с момента устанооки , сут

впородах VIII категории по СНиП при разнице диаметров шпура

иголовки 12—14 мм. Учитывая, что шпуры под анкера бурят с по­ мощью установки СБУ-2 с коронкой диаметром 42 мм, а диаметр штанги анкера по расчету не превышает обычно 20—24 мм, целесо­ образно применять составную конструкцию анкера со съемной голов­ кой диаметром 28—30 мм. Несущая способность таких анкеров равна 6—8 тс.

Врезультате экспериментов, проведенных совместно с институ­

том Гидроспецпроект было установлено, что несущая способность клинощелевых анкеров длиной более 1 м в легко выветривающихся алевролитах практически не меняется даже через год после уста­ новки, т. е. породы не выветриваются в месте закрепления замка анкера при глубине анкера более 1 м, хотя поверхность породы по контуру выработки через короткое время после вскрытия покры­ вается густой сетью трещин.

Исследование влияния взрывных работ на натяжение клиноще­ левых анкеров проводили в различных геологических условиях.

52