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

В свою очередь,

з-^О+тг)- (36)

где кв — коэффициент, равный 0,25 для пород крепких и средней крепости и 0,2 для пород ниже средней крепости; при полу­ циркульном очертании кровли выработки коэффициент кв следует увеличить на 15%;

q — нагрузка на крепь, принимаемая по данным, приведенным

в§ 3, тс/м2;

с— величина сцепления, принимаемая по данным § 3, а для предварительных расчетов определяемая по формуле (16).

Вычисленное по формуле (35) расстояние проверяют на сохране­ ние устойчивости породы между анкерами по формуле

(37)

а если

9 < J - Y^a,

то по формуле

(38)

где у — объемный вес породы, тс/м3.

Расстояние между анкерами проверяют дополнительно из условия равенства несущей способности анкера (замка для металлических и стержня для железобетонных анкеров) весу массива породы в пре­ делах нарушенной зоны, приходящемуся на анкер,

(39)

В предварительных расчетах несущая способность замка анкера N = 8-т- 10 тс для пород с / = 6- РІ 0и/ Ѵ' = 6 - Р 8 т с в остальных случаях. Для железобетонных анкеров несущую способность стержня определяют по формуле (32).

Наименьшее из расстояний а, полученных по формулам (35), (37) или (38), (39) принимают для паспорта крепи. Если для слабых пород это расстояние окажется менее 0,8—1 м, применение анкерной крепи должно быть специально обосновано.

Диаметр штанги анкера должен быть не менее 16 мм и опреде­ ляться из условия равенства прочности штанги весу массива породы в пределах нарушенной зоны, приходящемуся на один анкер (для железобетонных анкеров),

(40)

74

Для металлических анкеров диаметр штанги определяют из усло­ вия равенства несущей способности замка анкера прочности штанги,

Если диаметр, полученный по формуле (40), окажется больше, чем заданный вначале, то необходимо сделать пересчет.

Диаметр шпура dm для железобетонных анкеров определяют из соотношения

где da — диаметр штанги анкера;

та и тш — величина сцепления раствора со штангой анкера и с по­ родой; для предварительных расчетов можно принимать

(43)

Расчет анкерной крепи в стенах выработки. В основу рекоменду­ емого расчета крепи стен выработок положена методика, разработан­ ная П. М. Цимбаревичем. На основании результатов натурных иссле­ дований, проведенных ВНИМИ при изучении устойчивости откосов карьеров и глубоких котлованов, в расчете учтены дополнительно силы трения и сцепления, действующие в скальном массиве стен под­ земных выработок.

Разрушение скального массива в стене выработки происходит по определенной плоскости скольжения при суммарном действии сле­ дующих сил: веса неустойчивого породного массива в стене, ограни­ ченного плоскостью скольжения; пригрузки на призму сползания от веса вывала (или от веса породы в пределах свода обрушения) в кровле выработки; силы трения и сцепления по плоскости скольже­ ния; реакции (или сопротивление) анкерной крепи; распора бетон­ ного свода; веса бетонного свода.

Расчет анкерной крепи стен выработок производят в следующем порядке:

определяют положение возможной линии скольжения в соответ­ ствии с инженерно-геологической характеристикой скального мас­ сива;

решением уравнения равновесия сил, действующих в плоскости скольжения, находят необходимую удерживающую силу от действия анкерной крепи, если эта сила окажется отрицательной, то параметры анкерной крепи принимают такими же, как и в сводчатой части выработки);

при заданных предварительно шаге анкеров вдоль выработки

идиаметре стержня анкера определяют число анкеров в сечении; рассчитывают длину анкеров.

Положение линии скольжения определяют следующим образом:

75

Рис. 27. Расчетная схема действия сил в стене выработки:

а — при одной системе трещин; б — при двух системах трещин

при наличии четко выраженной системы трещин, падающих в сторону выработки под углом ß, превышающим угол внутреннего трения по пластам фтр, линия скольжения совпадает с направлением системы трещин и проходит от основания стены выработки, при этом угол наклона плоскости скольжения Ѳ = ß;

если ß < сртр или пласты наклонены в сторону массива, а также при отсутствии четко выраженной системы трещин разрушение массива может произойти по линии скольжения, проходящей от ос­

нования стены выработки и наклоненной под углом Ѳ= 45° +

где ф — угол внутреннего трения породного массива (по Цимбаревичу);

при наличии контактных трещин, сбросов или иных плоскостей ослабления массива, заполненных слабоцементирующим материалом и секущих весь массив в стенах выработки, разрушение (сползание) может произойти по этим трещинам, и таким образом угол наклона плоскости скольжения Ѳ= ß', где ß' — угол наклона трещины.

При решении уравнения равновесия сил, действующих в плос­ кости скольжения (рис. 27, а), получим

где Т — удерживающая сила в плоскости скольжения от действия анкерной крепи, тс/м;

76

G — вес призмы сползающего массива в стене выработки на 1 М ,

h — расстояние от пяты свода до точки пересечения плоскости скольжения со стенкой выработки, м;

Р— пригрузка на призму сползания от веса вывала в своде выработки и веса бетонного свода,

h nр — высота пригружающего слоя, определяемая по формуле (17)

к о — коэффициент, учитывающий неточность определения удель­ ного сцепления, а также возможное отсутствие сцепления по некоторым площадкам плоскости скольжения, равный

0,7 -0,8;

N o — распор бетонного свода, определяемый по формулам ста­ тики сооружений; при равномерно распределенной вер­ тикальной нагрузке от давления горных пород q и соб­

ky — коэффициент запаса устойчивости, величина которой зави­ сит от вида сооружения и находится в пределах 1,3—1,5;

ф — угол трения по плоскости скольжения;

При наличии в массиве второй системы трещин может произойти отрыв породных блоков (как показано на рис. 27, б ) , устойчивость которых необходимо проверить. В этом случае зависимость (44) примет вид:

77

Рис. 28. Схема действия сил на анкер в стене (к рис. 25)

Рис. 29. Расчетная схема действия сил на анкера в стенах

На рис. 28 показана расчетная схема (с силовым многоугольни­ ком), примененная при строительстве подземной ГЭС Чибро в Индии

176].

При установке обычных ненапряженных железобетонных анкеров удерживающая сила в плоскости скольжения возникает за счет со­ противления анкерных стержней срезу или растяжению (рис. 29). Тогда

78

N— несущая способность стержня одного анкера, определяемая по формуле (32) при заданном диаметре стержня анкера, тс;

п— число анкеров в сечении;

предварительно-напряженных анкеров в плоскости скольжения воз­ никает дополнительное удерживающее усилие за счет увеличения сил трения (см. рис. 29),

(60)

sin р tgcp + cos р *

79

Qа — предварительное натяжение одного анкера, нринимаемое заранее в соответствии с конструкцией анкера, тс;

р— угол наклона анкеров к плоскости скольжения; при гори­ зонтальном расположении анкеров р = Ѳ.

Из формул (60) и (61) находят число анкеров в сечении

где mо — число стержней в пучке.

Длину анкеров определяют по формулам (57)—(59).

Параметры анкерной крепи в стенах выработок (в первую оче­ редь глубина анкеровки), определенные по приведенным выше выра­ жениям, могут быть уточнены на основании результатов модельных исследований на эквивалентных и фотоупругих материалах.

На рис. 30 показана схема определения глубины зоны закрепле­ ния породы анкерами для одной из выработок шириной 25 м в креп­ ких скальных породах. На рис. 30, а заштрихована расчетная зона возможного обрушения породы в выработку (свод определен по раз­ мерам нарушенной зоны, стены — по линиям скольжения). Из рис. 30, 6 видны размеры зоны, полученной по экспериментальным исследованиям на моделях из эквивалентных материалов во взрыв­ ной камере от действия сейсмики взрыва. Рис. 30, в иллюстрирует размеры зоны, полученной на основании модельных исследований методом фотоупругости. При этом граница зоны определилась из равенства касательных напряжений вокруг выработки величине сцепления (с — 8 кгс/см2), полученной в натурных условиях. На рис. 30, г построена огибающая нарушенной зоны и определена длина анкеров. Шаг их принят по расчету. Последующие исследова­ ния системы крепления и устойчивости выработки были проведены на крупноразмерных моделях из эквивалентных материалов.

В настоящее время во многих странах проводится большая работа по применению метода конечных элементов с использованием ЭВМ при расчете крепи подземных выработок, позволяющего с боль­ шой точностью учитывать свойства горного массива и конструкции крепи [75, 108 и др.]. Расчет крепи из предварительно-напряженных анкеров по контуру выработки ведется также с использованием тео­ рии пластичности с применением ЭВМ и с построением вокруг выра­ боток области повышенных напряжений [98].

80

Рис. 30. Определение глубины зоны закрепления пород анкерами в камерной выработке:

1 — граница нарушенной зоны; 2 — граница зоны повышенной трещиноватости

Расчет покрытия из набрызгбетона. Толщину покрытия из набрызгбетона в сводчатой части выработок приближенно определяют на основании теории изгиба прямоугольных пластин, нагруженных равномерно распределенной нагрузкой. При этом расчетная формула имеет вид [42]:

к' — безразмерный коэффициент, принимаемый для выработок

спокрытием только из набрызгбетона равным 0,35, а для крепи из анкеров с набрызгбетоном равным 0,25;

а— шаг крепи, определяемый на основании формул (37)—(39);

для выработки, закрепленной только набрызгбетоном, я = — Ь0, но не менее 1 м;

q — равномерно распределенная нагрузка, определяемая по формуле (21), тс/м2;

—расчетное сопротивление набрызгбетона растяжению, рав­ ное 120—160 тс/м2 для армированных и 100—140 тс/м2 для неармированных покрытий;

т— коэффициент условия работы покрытия, принимаемый равным 0,75 для неармированных и 1,0 — для армирован­ ных покрытий.

Встенах выработок толщину покрытия из набрызгбетона прини­ мают такой же, как и в сводчатой части.

§7. Пути облегчения подземных конструкций

Вотечественной и зарубежной практике имеются многочисленные’ примеры незакрепленных выработок большого сечения, располага­

емых преимущественно в крепких монолитных скальных породах (в основном IX — XI категорий по СНиП). Стоимость 1 м незакреплен­ ной выработки на 20—40% ниже, чем закрепленной арочной или бетонной крепью. Этим обстоятельством и вызывается главным обра­ зом стремление изыскивать условия, позволяющие отказаться от применения крепи при проходке большепролетных выработок. Од­ нако решение об оставлении туннелей и камер большого сечения без крепи может быть принято лишь после всестороннего изучения свойств пород, а также химических воздействий на породу от вредностей, выделяемых транспортом и взрывными газами, в частности при условии отсутствия химической реакции пород с продуктами сгора­ ния углеводородов.

Несмотря на жесткие требования, предъявляемые к незакреплен­ ным выработкам, они получили широкое распространение. В Швеции и Норвегии в гранитах и гнейсах туннели, как правило, не крепят. Форма выработок обычно корытообразная, пролеты составляют 12—16 м, площадь поперечного сечения до 400 м2 (туннель ГЭС Сторрнорфорс и др.ф В Советском Союзе незакрепленные туннели площадью 100—300 м2 имеются на Хантайской, Борисоглебской, Верхне-Туломской ГЭС, также незакреплен ряд транспортных тун­ нелей. На участках нарушенных пород такие туннели закрепляют, причем в первую очередь в этом случае используют облегченную крепь — анкерную или из набрызгбетона.

В отдельных случаях разрешается даже оставлять незакреплен­ ными гидротехнические туннели на период эксплуатации. При этом вводят дополнительные ограничения по глубине залегания выработки и по шероховатости ее поверхности. В частности, оставлен без крепи гидротехнический туннель на Хантайской ГЭС при высоте выступов породы до 40 см.

Последнее время в связи с развитием горнопроходческой техники при строительстве подземных сооружений большого сечения серьезное внимание стали уделять вопросам облегчения крепи. При этом удешев­ ление конструкции и уменьшение ее объемов осуществляется не снижением надежности крепи, а за счет рационального выбора: месторасположения подземного сооружения в горном массиве;

формы поперечного сечения подземной выработки; способа укрепления горной породы до начала проходки выработки

и в процессе ее проходки; метода производства работ при проходке выработки.

82

Рассмотрим каждый фактор подробнее.

Выбор месторасположения подземного сооружения в горном мас­ сиве. Облегчение крепи за счет этого условия может быть реализовано только в тех подземных сооружениях, трасса которых не опреде­ ляется жестко заданным направлением между фиксированными точ­ ками и ее возможно изменить, хотя бы в определенных границах.

Следует стремиться, в частности, избегать расположения подзем­ ного сооружения в контактных зонах, в которых породы, как пра­ вило, ослаблены, а также в местах геологических сбросов и сдвигов.

Вопросы выбора направления оси подземного сооружения изло­

можно осуществлять в различных направлениях по отношению к на­ пластованию и основным системам трещин. Образование вывалов наи­ менее вероятно, когда ось выработки направлена вкрест простирания крутопадающих пластов или основных систем трещин. Располагать подземные выработки по простиранию пластов или плоскостей основ­ ных систем трещин целесообразно лишь при достаточно высоких зна­ чениях сцепления — зацепления между блоками горных пород.

Степень устойчивости осадочных пород над выработкой при наибо­ лее благоприятном угле встречи (более 20°) в значительной мере свя­ зана с мощностью слоев. Как показывают, например, наблюдения при строительстве туннелей Нурекской, Токтогульской и Ингурской ГЭС (пролетом от 8 до 15 м), проходящих в основном в песчани­ ках и известняках, породы по устойчивости могут быть подразделены на следующие группы:

малоустойчивые (частые вывалы требуют крепления вслед за забоем) при мощности слоев до 0,1 м;

среднеустойчивые (крепление может отставать от забоя до 5 м), мощность слоев от 0,1 до 1 м;

устойчивые (крепление может отставать от забоя на 50 м и более), мощность слоев более 1 м.

Повышение устойчивости мощных слоев вызвано также их мень­ шей трещиноватостью по сравнению с более тонкими слоями.

В зависимости от устойчивости и степени трещиноватости породы может быть выбрана рациональная форма поперечного сечения под­ земной выработки.

Выбор формы поперечного сечения подземной выработки. Можно выделить следующие характерные формы поперечного сечения круп­ ных выработок (рис. 31):

корытообразную — с вертикальными стенками и пологим сводом