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

Анкера устанавливали на расстоянии от забоя 5, 10, 15 и 25 м и соз­ давали предварительное натяжение, равное 3 тс. После каждого взрыва фиксировали с помощью гидравлического динамометра ДА-1 изменение величины натяжения анкеров. После стабилизации натя­ жения определяли несущую способность анкеров и замеряли сколь­

составляет 20—30%. Эти данные позволили прийти к выводу о не­ обходимости периодического подтягивания клинощелевых анкеров, особенно на расстоянии до 15 м от забоя.

Несущая способность железобетонных анкеров длиной 2,5 мт выполненных из арматуры периодического профиля при диаметре стержня 22 мм, с заполнением шпура раствором на цементе марки 400 через 6 ч составила 2,5 тс, через 14 ч — 8,5 тс, а через 24 ч она превышает 12 тс. Несущая способность железобетонных анкеров в возрасте 24 ч при нарушении условий твердения (штанга сдвинута на 5 см через 4 ч после установки) составила 10 тс.

Стабильность несущей способности железобетонных анкеров в различных породах объясняется постоянством сцепления между армирующим стержнем и цементным заполнителем по контакту, между которыми происходит, как правило, разрушения анкера (за исключением случая разрыва арматуры). Прочностные показа­ тели пород YI категории и выше по СНиП на несущую способность железобетонных анкеров не влияют.

Рост сцепления железобетонных анкеров показан на рис. 17. Уже в возрасте трех суток сцепление между металлом и раствором составляет не менее 20 кгс/см2, а при 28-дневном возрасте оно уве­ личивается до 40—50 кгс/см2.

На основании проведенных исследований (было испытано около 1000 анкеров в различных туннелях пролетом более 8 м) и технико­ экономических расчетов для широкого внедрения рекомендованы, как уже отмечалось выше, железобетонные анкера.

В подземных выработках со сводчатой кровлей в трещиноватых породах анкера рекомендуется располагать радиально. При явно выраженном слоистом строении кровли, когда ее разрушение может произойти от сдвижения пластов породы, анкера следует устанавли­ вать по возможности перпендикулярно плоскости простирания пла­ стов и трещин с учетом технологичности бурения.

Шаг анкеров в трещиноватых породах сохраняется обычно оди­ наковым в продольном и поперечном направлениях к оси выработки. При наличии выраженной слоистости пород шаг анкеров по пери­ метру выработки может отличаться от шага анкеров в продольном направлении. Расположение анкеров в кровле и стенах выработки

53

Рис. 17. Зависимость сцепления между металлом и раствором в железобетон­ ных анкерах от времени

рекомендуется принимать рядовым, как более удобным для разметки шпуров, можно располагать анкера и в шахматном порядке.

Ориентировочно длина анкеров для закрепления сводчатой части крупных выработок равна 1,5—4 м, а расстояние между анкерами в ряду и между рядами 1—2 м. При креплении высоких выработок следует иметь в виду, что наиболее напряженными оказываются стены в районе пят свода. В этих зонах даже в крепких породах могут возникнуть концентрации напряжений и пластические дефор­ мации с появлением трещин и вывалов. Своевременная установка анкеров, связывающих наиболее напряженные зоны по контуру с массивом породы, может предупредить развитие трещин. Число, длину и месторасположение анкеров определяют расчетом и устанав­ ливают в зависимости от состояния породы. Для крепления стен можно рекомендовать один анкер длиной 2—4 м устанавливать на 2—4 м2 поверхности стен, а при наличии направленных трещин анкер должен иметь длину 5—10 м.

Сравнительно недавно в Пакистане построены крупные выра­ ботки (шириной до 22,2 м и высотой до 26 м) в разрушенных изве­

составляют предварительные паспорта крепи с учетом инженерно­ геологических особенностей каждого участка трассы. При больших размерах поперечного сечения выработки в сложных инженерногеологических условиях паспорта должны быть откорректированы по данным модельных исследований, натурных измерений глубины нарушенной зоны, а также по результатам изучения работы анкер­ ной крепи и породы по мере проходки выработки (см. главу III). Как показывает практический опыт, срок службы временной крепи не должен превышать 4—6 месяцев.

Допустимое расстояние Іо от крепи до забоя, т. е. длина неза­ крепленного участка выработки в скальных породах, находится на

54

усилия, возникающие от отдельных местных нагрузок, и способствует повышению устойчивости окружающего выработку массива породы.

Если принять для набрызгбетопа раннего возраста сцепление со скальной породой и прочность материала тга срез равными всего по 1 кгс/см2, то легко подсчитать, что на 1 м2 поверхности выработки покрытие из набрызгбетона толщиной только 3 см способно удер­ жать от обрушения в выработку отслоившуюся пирамиду породы высотой 1 м и весом около 1 тс.

Одним из существенных достоинств набрызгбетона является быстрый набор им прочности. Неоднократно проведенные наблюде­ ния показали, что уже через 3—6 ч после нанесения набрызгбетона можно вести взрывные работы вблизи места его нанесения, при этом заметных нарушений поверхности или каких-либо обрушений по­ роды не возникает.

Как показали экспериментальные работы ВНИИЦветмета, зна­ чительное повышение ударной прочности набрызгбетона достигается введением в его состав сечки капронового волокна (при толщине нити 0,3 мм) в количестве 4—5% массы цемента [13].

Нормативные сопротивления набрызгбетона несколько выше (на 10—15%) аналогичных характеристик бетона той же марки. Расчет­ ное сцепление набрызгбетона со скальной породой (определяется отрывом специальных рамок) составляет 10—15 кгс/см2. При плохо промытой или частично оглиненной поверхности, в частности по выветривающимся алевролитам, сцепление резко падает, не превы­ шая 5 кгс/см2. В песчаниках на известково-туфовом цементе между породой и покрытием из набрызгбетона образуется тонкий слой пылевидного материала (за счет адсорбции воды из набрызгбетона), препятствующий образованию сцепления покрытия с породой.

Недостаточное сцепление набрызгбетона с породой является основным противопоказанием к его применению в данных условиях. При плохом сцеплении покрытие из набрызгбетона перестает отве­ чать задачам подземной конструкции, а становится опасной обмаз­ кой, работающей в отрыве от породы и не препятствующей развитию подвижек и деформаций в массиве. Это обстоятельство требует про­ ведения предварительных натурных исследований величины сцепле­ ния покрытия из набрызгбетона с породой. Ориентировочно можно полагать что набрызгбетон целесообразно применять при условии, если величина сцепления его с породой не ниже 5 кгс/см2.

Водонепроницаемость набрызгбетона обычно соответствует про­ ектной марке бетона В-8.

Применение набрызгбетона при креплении выработок большого сечения оказывается весьма экономичным. Толщина покрытия, выполненного из набрызгбетона, может быть значительно уменьшена по сравнению с толщиной крепи из монолитного бетона. Сокращается сечение выработки в проходке, трудоемкость работ по возведению крепи уменьшается примерно в 1,5 раза.

Форма поперечного сечения выработки, закрепленной набрызгбетоном, обычно имеет неправильное очертание. Для обеспечения

56

надлежащей устойчивости такой выработки, проходящей в породах средней крепости, неровности во избежание резких концентраций напряжений не должно превышать одной-двух толщин покрытия без ступенчатых переходов. Это обстоятельство определяет необходи­ мость заполнения набрызгбетоном углублений в породе и сглажива­ ния резких выступов. В связи с этим для уменьшения расхода мате­ риала большое значение приобретает технология контурного взры­ вания. При применении набрызгбетона лишь для защиты от выветри­ вания породы толщина покрытия должна быть 3—5 см, в случае же несущего покрытия его толщина может возрасти до 15 см.

При применении анкерной крепи набрызгбетон целесообразно наносить по металлической сетке. Расчеты показывают, что наличие арматурной сетки с ячейками размером 70 X 70 мм из проволоки диаметром 6 мм повышает несущую способность крепи примерно на 25—30%. Применение крепи из анкеров с сеткой и набрызгбетона рекомендуется в породах сильнотрещиноватых, оказывающих гор­ ное давление. Толщина покрытия обычно не превышает 10 см.

Конструкция арочной крепи (из двутаврового профиля или в виде решетчатых ферм) в сочетании с покрытием из набрызгбетона реко­ мендуется преимущественно в мягких породах. Наиболее рациональ­ ным решением в данном случае является использование набрызг­ бетона взамен затяжки между арками, расклиненными в породу. Толщина покрытия составляет от 5 до 15 см. В сильнонарушенных породах целесообразно увеличить эту толщину (до 25 см) с тем, чтобы получить единую конструкцию из металлических арок, сетки и на­ брызгбетона, который частично закроет сами арки. Несущая способ­ ность такой усиленной конструкции, а возможно и с цементацией породы, не ниже железобетонной крепи той же толщины.

При строительстве одного из туннелей диаметром 18 м в Пакистане [110], разрабатываемом в известняках, был проведен интересный эксперимент. На одном из участков вначале породу покрывали тон­ ким слоем набрызгбетона, затем устанавливали и раскрепляли метал­ лические арки. На расстоянии 10 м от забоя проводили повторное нанесение набрызгбетона, увеличивая толщину покрытия между

и раскрепляли металлические арки. Измерения показали, что на первом участке тонкий слой набрызгбетона не смог предотвратить, оседания породы, и нагрузка на арки достигла высоких значений. На втором участке нагрузка на арки оказалась ниже на 30—40% и не превысила 11 тс/м2.

Комбинированная крепь. При проходке выработок за рубежом в сложных инженерно-геологических условиях применяют уже около 10 лет комбинированную крепь. Крепь состоит из слоя породы, укреп­ ленного анкерами и дополнительно упрочненного цементацией, а также из набрызгбетона, который нанесен на поверхность выработки непосредственно или по металлической сетке. Податливость такой крепи оказывается ограниченной, так как обеспечивается постоянство­

57

формы выработки, в то же время несущая способность крепи яв­ ляется весьма высокой. Это позволяет при правильной очередности вскрытия выработки и возведения крепи осуществлять проходку крупных выработок полным профилем, даже в сильнонарушенных скальных породах.

Каждый элемент комбинированной крепи выполняет определен­ ную задачу, а в комплексе они создают мощную несущую конструк­ цию. Анкера уменьшают анизотропию породного массива, соединяя отдельные слои породы между собой, повышают сцепление и трение между слоями и отдельными блоками трещиноватой породы. Анкера в пределах нарушенной зоны создают породный свод, способный вос­ принимать нагрузки от вышележащих слоев породы. Осредненный модуль упругости и другие физико-механические характеристики породы в этом своде оказываются повышенными по сравнению с поро­ дой в той же зоне до установки анкеров. При предварительном напря­ жении анкеров породный свод превращается в обжатую несущую конструкцию.

Набрьтзгбетон, наносимый на поверхность выработки, как отме­ чалось выше, омоноличивает породу, укрепляет ее поверхностный слой, повышает сцепление между отдельными блоками породы, пред­ отвращает доступ воздуха и влаги к породе, т. е. препятствует вывет­ риванию наиболее нарушенной зоны пород. Кроме того, само покры­ тие из набрызгбетона является несущей крепью, способной выдер­ жать существенные нагрузки. При нанесении набрызгбетона на по­ роду по металлической сетке несущая способность крепи возрастает, поскольку сетка распределяет усилия при возникновении местных вывалов породы и повышает способность поверхностного упрочнен­ ного слоя к сопротивлению растягивающим и сдвигающим усилиям от воздействия внешних нагрузок.

В сильнотрещиноватых и нарушенных породах, особенно в выра­ ботках большого сечения, сочетание анкеров и набрызгбетона не приводит к созданию эффективного несущего породного свода над выработкой. В этом случае дополнительное упрочнение крепи дости­ гается применением укрепительной цементации породы под защитой покрытия из набрызгбетона через скважины, расположенные на расстоянии от 2 до 5 м. Цементный раствор проникает в трещины в породе, омоноличивает породу в пределах всей нарушенной зоны, восстанавливает до естественного состояния свойства породы и даже улучшает ее качество. Применение комбинированной крепи с цемен­ тацией породы на шахтах ФРГ и США, а также на Левихинском медном руднике на Урале [4] показало надежность породоанкерного свода и высокую его несущую способность.

При выборе типа комбинированной крепи в выработках различ­ ных размеров и в разных инженерно-геологических условиях появ­ ляется возможность использования многих вариантов. Несущая спо­ собность такой крепи может быть изменена цементацией или отказом от нее, выбором параметров этой цементации (расстояние между сква­ жинами, давление цементации, состав раствора и др.), параметров

58

анкерной крепи (глубина, шаг, диаметр штанг, предварительное на­ пряжение их, конструкции анкеров), выбором толщины покрытия из набрызгбетона, наличия металлической сетки различной кон­

ров и нанесению набрызгбетона.

Экспериментальными исследованиями, проведенными на строи­ тельстве ряда туннелей, установлено, что в породах достаточно проч­ ных и устойчивых набрызгбетон можно наносить на породу после уста­ новки анкерной крепи. В нарушенных сильнотрещиноватых скальных породах очередность возведения крепи целесообразно изменить. Сразу же после взрыва зарядов в забое и оборки кровли до начала погрузки породы на поверхность выработки наносят покрытие из набрызгбетона толщиной до 5 см. После погрузки породы через это покрытие пробуривают шпуры, устанавливают анкера и при необхо­ димости навешивают сетку. Этот процесс можно совмещать по вре­ мени с бурением шпуров в забое. Далее с отставанием примерно 10 м, т. е. через 2—3 суток после нанесения первого слоя, наносят второй слой набрызгбетона, доводя общую толщину покрытия до расчетного значения (10—15 см).

Изменение очередности работ по возведению крепи в данном слу­ чае позволяет облегчить ее конструкцию. Деформации массива, происходящие непосредственно после вскрытия выработки, а затем в течение последующих 2—3 суток, частично воспринимаются относи­ тельно податливой крепью. После же разгрузки массива, когда на­ грузки стабилизируются и уменьшаются, крепь усиливают и она начинает работать как жесткая конструкция.

Этот вывод подтвержден модельными и натурными наблюдениями, проведенными институтом Оргэнергострой в нескольких подземных выработках Нурекского гидроузла пролетом от 12 до 26 м в 1965— 1969 гг. К такому же результату пришли в США в 1970—1971 гг. при проходке одного из туннелей пролетом около И м , сооружа­ емого для снабжения инженерных войск. В этом туннеле впервые в США была осуществлена аналогичная последовательность воз­ ведения комбинированной крепи ,[87].

Таким образом, применяя комбинированную крепь, проекти­ ровщики и строители располагают прогрессивной и экономичной конструкцией, которую легко можно приспособить к местным усло­ виям в широком диапазоне пород, размеров выработок и действу­ ющих нагрузок для обеспечения проходки крупнопролетных выра­ боток полным профилем.

Выбор крепей. Анкерная и набрызгбетонная крепи наиболее экономичны. В частности, это подтверждается расчетами Криворож­ ского НИГРИ для выработок горнорудной промышленности (рис. 18).

В табл. 21 приведена стоимость крепления туннелей 1 м в рублях. Данные таблицы получены в результате хронометражных на­ блюдений, проведенных институтом Оргэнергострой, и подсчетов,

59

Рис. 18. Зависимость величины затрат на крепление и поддержание 1 м вы­ работок от срока их службы [56]:

1 — деревянная крепь;

2 — металлическая крепь;

3 — монолитный бетон;

4 — крепь из железобетонных стоек и металлических арок;

«5— арочная железобетонная крепь; 6 — металлическая анкерная крепь; 7 — крепь из набрызгбетона

выполненных институтом Гидроспецпроект. Из таблицы следует, что применение анкерной крепи и набрызгбетона оказывается в несколько раз дешевле применения монолитной железобетонной или металли­ ческой арочной крепи. В таблице не учтено, что использование анкерной крепи позволяет уменьшить площадь поперечного сечения туннеля на 3—4 м2, что дополнительно уменьшает стоимость 1 м3 выработки на 0,4—0,8 руб.

Затраты труда на аркерную и набрызгбетонную крепь также зна­ чительно ниже, чем на крепь из металлических арок или монолитного железобетона. Затраты труда, по данным института Оргэнергострой, на 1 м туннеля площадью 80 м2 при установке различных видов крепи следующие (чел-дней):

60

Рис. 19. График для определения об­ ласти применения различных типов крепи:

I — поэлементное раскрытие вы­ работки;

I I — арочная крепь;

I I I — анкерная и набрызгбетонная крепи;

/V — без крепи;

О— незакрепленные выработки;

Эти технико-экономические показатели подтверждают целесооб­ разность применения анкерной и набрызгбетонной крепи там, где

быть установлен лишь после детальных проработок.

Приведенный график позволяет на стадии предварительного про­ ектирования определить требуемый тип крепи для заданных катего­ рий породы и пролета выработки. График, естественно, не дает точ­ ного решения задачи, но с его помощью можно выявить участки выработок, инженерно-геологические условия которых позволяют полностью отказаться от крепи или применить анкерную и набрызгбетонную крепи. Комбинированная крепь может быть рекомендо­ вана в условиях, отвечающим верхней границе области III на гра­ фике. Окончательное решение о выборе того или иного типа крепи большепролетной выработки может быть принято с учетом способа ее проходки после соответствующих модельных и натурных исследо­ ваний. Такие исследования особенно необходимы в условиях, отве­ чающих пограничным областям на графике.

§5. Конструкции крепи из предварительно-напряженных анкеров

Вотличие от обычной анкерной крепи, вступающей в работу лишь после появления в скальном массиве каких-либо деформаций, крепь

сприменением предварительно-напряженных анкеров предупреждает возникновение этих деформаций и вовлекает породу в активную работу сразу же после натяжения анкеров. Крепь с применением

61

предварительно напряженных анкеров позволяет создать вокруг всей выработки или ее части несущую обжатую породную зону, вос­ принимающую нагрузки и препятствующие любым подвижкам породы в пределах области горного массива, примыкающей к выра­ ботке.

Применение предварительно-напряженных тяжей в строительстве известно давно, однако в подземных сооружениях крепь из предвари­ тельно напряженных анкеров стали использовать лишь последние примерно 10 лет, причем с каждым годом область применения этого прогрессивного типа крепи расширяется.

Анкера из пучка высокопрочных проволок. Анкер представляет собой пучок, состоящий обычно из 18—34 проволок диаметром до

VSL.

Проволоки заданной длины размещают вокруг трубки для нагне­ тания цементного раствора в скважину. Диаметр скважины 85— 115 мм. Проволоки, уложенные по отдельности или в виде несколь­ ких прядей вокруг трубки, привязаны к ней через 60—100 см по длине анкера. С одного конца проволоки собирают в натяжное устройство с конусным зажимом, в торце которого оставлено отвер­ стие для нагнетания раствора в скважину. К этому отверстию примы­ кает трубка анкера с размещенными вокруг нее проволоками. Для защиты от соприкосновения с раствором проволоки на заданную длину от натяжного устройства изолируют битумом и обвязывают парусиновой лентой, пропитанной битумным составом. Эта часть длины анкера обычно защищена снаружи полиэтиленовой трубкой — оболочкой.

Заанкериваемая часть проволок диной 3—4 м, не имеющая об­ мазки, чехла и защитной трубки, несколько расширена. Для этой цели между проволоками и центральной трубкой через каждые 60 см поочередно устанавливают распорки и схватки. При вводе анкера в скважину в нее закладывают два гибких шланга — для цементи­ рования и отвода воздуха. Затем в устье устраивают цементную пробку.

После первичной инъекции через центральную трубку заанкери­ ваемая часть оказывается прочно связанной со скалой, а в остальной изолированной части анкера остается возможность свободного пере­ мещения проволок в процессе их натяжения. После затвердевания раствора производят натяжение анкера с помощью гидродомкрата. Затем домкрат снимается, при этом натяжное устройство с помощью специальных стальных прокладок через бетонный блок или подго­ товку упирается в скалу и порода включается в работу. В последнюю очередь через короткий шланг производят вторичную инъекцию раствора в зазор между чехлом и защитной трубкой.

Характерная последовательность выполнения операций при уста­ новке анкера показана на рис. 21.

62