книги / Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

Рис. 257. Компенсационный стнк в [339]

в 1966 г. составили около 1 млн. марок — стоимость пары таких стыков-ком­ пенсаторов (рис. 257) в ценах 1963 г. составляет 2150 марок. Эти стыки-компен­ саторы, первоначально устанавливавшиеся через 45 м, а впоследствии через 180 м, обеспечивают возможность продольного смещения рельсов до 200 мм (принцип податливости). До сих пор еще не закончены исследования при экс­ периментальной укладке в районах горных разработок бесстыковых (сварных) рельсовых путей из-за опасности бокового выпучивания рельсового пути в лет­ нее время, когда к воздействию сдвижений земной поверхности добавляются температурные деформации.

Вопрос о том, не проще ли защитить железнодорожный путь от воздейст­ вия подработки, проложив его на эстакаде или в туннеле, обсуждается в насто­ ящее время в связи с проектом скоростной городской железной дороги Рейн — Рур, причем споры возникают в отношении тех участков железной дороги, которые должны пройти по насыпям или в выемках. Запрещение вести горные работы в пределах имеющей большую протяженность защитной зоны под трас­ сой проектируемой железной дороги может не только воспрепятствовать регио­ нальному перспективному планированию горных работ, но и привести к обра­ зованию вытянутой в плане возвышенности между примыкающими к трассе мульдами сдвижения, со всеми вытекающими из этого отрицательными послед­ ствиями для водного хозяйства района. Поэтому при проектировании железной дороги обязательно должны приниматься в расчет возможные последствия под­ работки сравниваемых вариантов длинных транспортных туннелей или эстакад

' решить следующие проблемы:

а) герметизация стыков между элементами туннеля, уложенными в грун­ товых водах;

б) трудность регулирования уклона путей в туннеле, обусловленная огра­ ниченным диапазоном возможного изменения высоты рельсов;

в) деформации обделки стенок туннеля, особенно в продольном направле­ нии, обусловленные горизонтальными деформациями грунта, достигающими

± 1 0 мм/м, и кривизной с радиусами, не превышающими ±100 м;

г) обеспечение устойчивости туннеля в отношении возможного среза на участках, проходящих через зоны тектонических нарушений или над ними, в случае возможных дискретных сдвижений горных пород (в районах перехода от несвязных пород к скальным породам возможен сдвиг до 2 см, а также обра­

конструкция туннеля в виде сварной трубы, выполненной из листов волнистой стали в виде шпунтовой стенки, которая, подобно гибкому шлангу и растяги­ вающимся мехам, следует за деформациями, обусловленными воздействием подработки, но в то же время является «малодеформирующейся» с точки зрения влияния на наземные объекты (одновременное применение принципов жестко­ сти и податливости). В качестве материала предлагалось использовать сталь­ ные листы с катодной защитой от окисления, в пользу которых говорит их вы­ сокая прочность, пластичность и хорошая свариваемость, что дает возмож­ ность обеспечить герметичность в отношении грунтовых вод и метана (при проведении туннеля через трещиноватые крепкие породы), а также легкость ремонта путем наварки листов. От применения прослойки скольжения между стенками туннеля и окружающими горными породами в этом предложении отказались, так как для этого пришлось бы найти такой материал для этой прослойки, который, с одной стороны, имел бы очень низкий коэффициент трения и, с другой стороны, не стекал бы в трещины в горных породах. Учиты­ вая значительную площадь стенок туннеля и его большую длину, эту задачу решить весьма трудно. Что касается связи между волнистой поверхностью трубы туннеля и горными породами, обусловленной неровностями этой поверх­ ности, то она может быть ослаблена путем заполнения впадин волнистой поверх­ ности трубы легко деформирующейся битуминозной смесью. Для защиты от грунтовых уступов в зонах тектонических нарушений было предложено на этих участках вести проходку туннеля увеличенной площадью сечения с уст­ ройством внешней предохранительной подушки. Однако в направлении, пер­ пендикулярном к оси туннеля, возможность начальной деформации и некото­ рого сужения профиля туннеля не исключается полностью.

Станции железной дороги, проектируемые как самостоятельные строитель­ ные сооружения, должны присоединяться к перегонным туннелям по принципу податливых герметических соединений, применяемых при прокладке трубопро­ водов. При сооружении станций, заглубленных в грунт, может быть приме­ нена сварка рельсов, поскольку на рельсовый путь через стенки туннеля, грун­ товое основание и балластный слой передается лишь часть деформаций растя­ жения и сжатия грунта, а возможность возникновения температурных напря­ жений почти полностью исключается [124]. Допустимые максимальные уклоны

Рис. 258.

Опорное устройство одного промежуточного устоя «Берлинского моста» в Дуйсбурге (ФРГ):

1 — подъемное приспособление; 2 — плита с отверстием; 3 — катковая опора; 4 — специальные шпоры; 5 — напра­ вляющий круглый канал и поршень; в — подкладки; 7 — г идравлическнй цилиндр

экспертов, для оценки надежности конструкции туннеля достаточно произ­ вести расчет деформаций, вызванных подработкой, по методу пластических предельных состояний, если кроме этого будут проведены исследования наи­

можно привести «Берлинский мост» в г. Дуйсбурге, состоящий из нескольких пролетов, частью металлических, а частью выполненных из предварительно напряженного железобетона [3961. Конструкцией промежуточных опор этого моста, имеющего общую длину 1824 м, предусмотрена возможность горизон­ тальных смещений пролетного строения в продольном направлении до ± 6 0 см, в поперечном направлении до ± 4 0 см, возможность угловых смещений в про­ дольном и поперечном направлениях соответственно на углы с тангенсами, равными от 0,013 до 0,005, а также возможность подъема до 80 см; при этом могущие перемещаться во всех направлениях точечные катковые опоры рас­ считаны на нагрузку до 1500 тс (рис. 258). На двух Катковых опорах, каждая из которых состоит из 11 катков диаметром 100 мм опирается плита с отвер­ стием для поршня, на которую устанавливается неопрено-каучуковая подушка диаметром 100 см и толщиной 9 см. На плиту опирается своей нижней сфери­ ческой опорной поверхностью шарнирно поворачивающийся поршень, под­ держивающий конструкцию мостового пролета. Для регулирования высоты можно применить кольцевые вкладыши, вставляемые в опору (для этого мосто­ вой пролет должен быть приподнят специальными домкратами), или же изме­ нить высоту вращением шпиндельных гаек диаметром 42 см с резьбой 400/12. Боковое смещение мостовых пролетов осуществляется посредством домкратов

Вызываемая оседанием земной поверхности неравномерная осадка опор моста изменяет условия опирания мостовых пролетов, приводя к заметным сме­ щениям элементов конструкции и к перераспределению напряжений в них. Необходимое усиление верхнего строения моста (для неразрезных мостов) может оказаться рентабельным лишь в том случае, если разности осадок опор не превышают 1/1000 длины пролета Z, т. е. не превышают 7 см при пролете 70 м или 15 см при пролете 150 м [59]. При разностях осадок, достигающих

Рис. 259.

Схема деформирования мостов в районах горных разработок:

а — мост разрезной конструкции, состоящий из отдельных независимых пролетов; б — мост неразрезной конструкции; 1 — исходный горизонт пути; 2 — устой моста; 3 — усиленные элементы

2/1000Z, верхнее строение моста должно быть усилено настолько, что оно станет чрезмерно жестким; в таких случаях мост разбивают на отдельные независи­ мые пролеты с опиранием на три или четыре точки, каждый из которых пред­ ставляет собой статически определимую балочную конструкцию (рис. 259). Хотя это и дает возможность воспринять воздействия сдвижения земной по­ верхности на несущие конструкции моста, однако отдельные пролеты прихо­ дится делать более усиленными, чем при неразрезном верхнем строении моста, так что мост получается более тяжелым и нуждается в более мощных опорах. Кроме того, недостатком такой конструкции является необходимость приме­ нения вдвое большего количества опорных приспособлений на мостовых быках, устройства переходных конструкций между шкафными стенками пролетных строений и возможность излома продольного профиля пути. Поэтому, если имеется возможность скомпенсировать разности осадок опор, превышающие 1/1000Z, мост статически неопределимой неразрезной конструкции будет эко­ номически более целесообразным, чем мост, состоящий из ряда отдельных независимых пролетов.

Неразрезное верхнее строение моста может быть выполнено как металличе­ ским, так и из предварительно напряженного железобетона. Предварительно­ напряженные железобетонные мосты коробчатой конструкции имеют несколько большую жесткость, чем металлические, но меньший момент инерции и тем самым недостаточное сопротивление изгибу, если в результате вызванного воздействием подработки прогиба в бетоне возникнут растягивающие напря­ жения, превышающие его прочность. В этом случае значительные добавочные растягивающие напряжения могут возникнуть в краевых частях поперечного сечения, где как раз нет напряженно-армированных конструктивных элементов. Возникшие в нарушенной трещинами растянутой зоне бетона добавочные на­ пряжения могут быть восприняты гибкой арматурой, нагруженной до 20 кН/см2 или до деформации, равной 1 мм/м. Этим обеспечивается распределение трещин, вызванных изгибом, на большое число тонких волосных трещин, которые после выравнивания моста вновь закрываются. В элементах металлических мостовых ферм напряжения с увеличением разностей осадок опор возрастают равномерно, без скачкообразного увеличения напряжений, свойственного бетону. Общий запас прочности до предела пропорциональности, позволяющий воспринимать дополнительные изгибающие моменты, для обоих материалов (стали и железобетона) примерно одинаков.

Правила защиты газо- и нефтепроводов определяются нормами, разрабо­ танными для энергетического хозяйства. В соответствии с предписанием Мини­ стерства экономики земли Северный Рейн-Вестфалия от 7 августа 1969 г. поставщик трубопроводов обязан указать величину и направление усилий, которые данный трубопровод может выдержать, не деформируясь. В Рурской области защита подземных трубопроводов может осуществляться одним 'из следующих способов: [239]: трубы укладываются на слой зернистого материала толщиной не менее 15 см, причем трубы заглубляются в этот материал до поло­ вины их высоты, а затем засыпаются слоем грунта, не содержащего камней, высотой не менее 40 см. В трубопроводы диаметром от 200 до 1500 мм встраива­ ются компенсаторы, рассчитанные на смещения +80 см и снабженные выводи­ мыми на земную поверхность для наблюдений и контроля металлическими проволочными марками. Чтобы тяжелые компенсаторы, упирающиеся своими выступающими частями в грунт, не могли мешать трубопроводу свободно де­ формироваться, рекомендуется применять оболочку из материала «стиропор». Для защиты от возможного проникновения в трубопровод грунтовых вод необходимо следить за тем, чтобы компенсаторы были надежно герметизиро­ ваны. Нефтепроводы, выполненные сварными по всей их длине (как, например, нефтепровод Вильгельмсгафен — Кёльн, диаметром 700 мм), должны на тех

навливаемых через 24 м в четырех точках по окружности трубы и позволяющих производить измерения с точностью ±0,01 мм. Трубопроводы, подвергшиеся сжатию, превышающему 0,85 мм/м (это соответствует половине предела теку­ чести, т. е. 360 2 = 180 Н/мм2), подлежат вскрытию, чтобы обеспечить воз­ можность разгрузки на длине от 300 до 600 м. Прибегать к вырезке части трубы приходится редко, но все же поворотные участки, дюкеры и отступы («утки») на участках деформаций сжатия могут быть повреждены. Против деформаций

достаточной изгибной жесткостью, применяются П-образные вставки-компен­ саторы. При выносе в сторону, равном 4 м, они могут компенсировать деформа­ ции до ± 9 см. От значительного искривления земной поверхности и образо­ вания на ней уступов трубопроводы можно защитить при помощи сферических шарнирных муфт (рис. 260).

Если принять допустимую деформацию трубопровода равной 0,61 мм/м

Если ожидаемая величина деформаций земной поверхности неизвестна, то рас­

^ 2 0 0 ^

zusss//«>/>////ул -

Рис. 260.

Подвижные соединения труб, применяемые для защиты от вредного воздействия сдвижении земной поверхности:

а _муфта Шалька; б — надвижная муфта; в — муфта с шаровым шарниром; 1 — уплотнение наливкой свинцом и набивкой просмоленной паклей

не исчерпывается полностью, так как жесткий компенсатор мог бы увеличить эффективную длину передачи усилий, как если бы трубопровод был бесстыко­ вым (сварным). Необходимая компенсационная способность компенсаторов может быть определена из кривых горизонтальных сдвижений земной поверх­ ности (см. рис. 215, в). Множителем 2 учитывается то обстоятельство, что деформации каждого участка трубопровода возрастают симметрично от концов к середине. В соответствии с этим в примере, показанном на рис. 216, в допол­ нение к компенсатору, установленному у станции № 68, установлены еще два

быть снижены затраты, если располагать данными расчета ожидаемых деформа­ ций земной поверхности.

В соответствии с обычно применяемыми в настоящее время правилами, интервалы между местами установки компенсаторов должны устанавливаться в зависимости от ожидаемых деформаций земной поверхности. Если ожидае­

мые деформации растяжения (сжатия) составляют 4 (2) мм/м, то в соответствии с формулой

компенсаторы с диапазоном смещений d = ±400 мм должны устанавливаться через 100 (200) м. То обстоятельство, что деформации участка трубопровода между двумя компенсаторами возрастают симметрично от концов к середине (это учитывается множителем 2), может быть использовано с целью экономии числа компенсаторов [124]. При незначительных сдвижениях, малой ширине мульды оседания, малой величины трения между трубопроводом и постелью, а также при высоком качестве стали, из которой изготовлены трубы, можно

вообще отказаться от установки компенсаторов, как это видно из аналогичного примера сварного рельсового пути, показанного на рис. 214 (tg а = 0,3 мм/м на 100 м). В этом случае максимальные деформации не превышали предела текучести стали марки 37, равного 0,9 мм/м (запас прочности 1,87).

Для уменьшения площади трения и облегчения надзора за состоянием труб целесообразно производить укладку трубопроводов в открытых канавах или под съемным защитным колпаком, однако оба эти способа укладки в на­ стоящее время применяются лишь в единичных случаях, поскольку это ограни­ чивает возможности использования площади земной поверхности для дру­ гих нужд.

14.4.

Региональное планирование

Выбор мест строительства крупных сооружений, транспортных трасс и посел­ ков должен производиться с учетом требований горной промышленности, чтобы избежать неоправданно больших затрат на компенсацию ущерба, ремонт­ ные работы и ограничения выемки полезного ископаемого. Поскольку горные предприятия привязаны к определенному месторождению, необходимо при составлении планов использования земной поверхности для размещения жи­ лых поселков, промышленных предприятий и сельскохозяйственных районов обязательно учитывать возможные в будущем сдвижения земной поверхности. В частности, не следует проектировать какие-либо сооружения в местах вы­ хода на поверхность геологических нарушений; не говоря уже о возможности новых тектонических подвижек по этим нарушениям, по ним концентрируются сдвижения пород покрывающей толщи, вызванные воздействием подземных горных работ и доходящие до земной поверхности (см. рис. 88). Поэтому зоны крупных геологических нарушений и области развития трещин в зоне растя­

в южной части Рурского бассейна, где в породах покрывающей толщи отсутст­ вуют рыхлые слои, смягчающие воздействие подработки. Эти выходы пластов угля, так же как поверхности скольжения тектонических нарушений, могут представлять опасность для наземных сооружений. Возможность застройки площадей над горными выработками, пройденными на малой глубине, также чаще всего исключается, если не предусмотрены защитные мероприятия. Чем ближе к земной поверхности ведутся горные работы, тем сильнее про­ является их воздействие на поверхность. Хотя размеры мульды оседания в подобных случаях и невелики, склоны их могут быть очень крутыми (см. рис. 88, в), а поэтому деформации сжатия в середине мульды и деформации растяжения у ее края могут достигать значительных величин. По плоскостям трещин может происходить относительное перемещение отдельных породных блоков (как навстречу друг другу, так и один за другим), что может привести

крутого падения пластов, так как при крутом падении размеры области

влияния увеличиваются (см. рис. 89) и, следовательно, воздействие очистнои выработки определенных размеров при крутом падении вызовет меньшие из­ менения земной поверхности, чем при горизонтальном залегании пласта.

Трассы магистральных путей сообщения должны прокладываться по воз­ можности в местах, где угольных пластов нет или где они уже отработаны [442, 443]. При выборе трасс для каналов необходимо предусматривать воз­ можность в дальнейшем обеспечить равномерное оседание по всей длине канала. Так, например, при сооружении шлюзов канала Рейн — Герне, желая защи­ тить их от возможного воздействия подработки, совершили ошибку, разместив эти шлюзы в не подлежащей отработке зоне геологических нарушений, и исклю­ чив тем самым возможность их оседания, когда в этом возникла необходимость. Вообще же говоря, шлюзы массивной конструкции обычно выдерживают воз­ действие подработки без значительных повреждений.

Значительные затраты, связанные с необходимостью корректировки по вы­ соте железнодорожных линий, каналов и путепроводов, могут быть уменьшены, если трассы этих сооружений проводятся с учетом размещения выработок горных предприятий. Крупные сооружения не должны возводиться вблизи границ горных отводов и шахтных полей, так как, несмотря на наличие согла­ сованного между соседними шахтами плана горных работ, часто приходится вносить в этот план изменения по производственно-техническим причинам, например из-за недостаточной разведанности пластов у границ шахтного поля. Согласование работ горных предприятий и организаций, планирующих исполь­ зование территории, необходимо уже хотя бы только потому, что примерна шестая часть всей площади, занятой в Рурском бассейне промышленными пред­ приятиями, еще до образования акционерного общества «Рурколе» использо­ валась для горных разработок, и в настоящее время принадлежавшие преж­ ним горным предприятиям земельные участки могут быть реализованы для застройки лишь при условии проведения необходимых защитных мероприятий.

Отношения между горной промышленностью и земельной собственностью при региональпом планировании регулируются правовыми установками [425]. Законом земли Северный Рейн-Вестфалия от 1950 г. предписывается обязатель­ ное составление планов использования застраиваемых площадей. В программе перспективного развития земли Северный Рейн-Вестфалия от 7 августа 1964 г. говорится, что площади над пригодными для разработки месторождениями полезных ископаемых должны использоваться только для таких целей, которые допустимы с народнохозяйственной, социальной и культурной точек зрения. В дополнение к закону об использовании территории от 8 апреля 1965 г. в ряде других законов имеются также так называемые оговорки об использо­ вании территории: в законе о защитных зонах (1965 г., § 1), в законе о при­ обретении земельных участков (1957 г., § 1), в федеральном законе об автостра­ дах (1961 г., § 16), в законе о мелиорации (1953 г., § 37), в законе о водном хозяйстве (1957 г., § 36) и в федеральном законе о гражданском строительстве (1960 г., § 1, 4 и 106). Высшим органом, ведающим вопросами использования территории, замли является отдел планирования при председателе Совета Министров. Следующей ступенью являются районные плановые управления при председателях правительственных комиссий, ведающие утверждением

и

Рис. 261.

Трассировка автодорог в районах горных разработок [442]:

а— план автодороги Дуйсбург — Камен — Беккум (ФРГ); б — профили автодороги Дуйсбург — Беккум;

в-- путепровод и развязка автодорог в незастроенной зоне тектонических нарушений; г — схема тектони­

4 — Дернскос тектоническое нарушение; J — развязка; 6— пласт «Финефрау»; 7 — нарушенное залегание; s — наносы; 9 — пласт «Гуго»

планов и отчуждением земель. В Рурской области это входит в функции Упра­ вления гражданского строительства. Можно назвать еще специальные плани­ рующие организации земли Северный Рейн-Вестфалия: общества планирования земельных угодий земли Северный Рейн-Вестфалия, ведающие планами раз­ вития отдельных районов, и объединение городов PI поселков Рурского угле­ промышленного округа, ведающее планами застройки для нужд этого объеди­ нения. Объединение городов и поселков занимается вопросами городского строительства, охраны окружающей среды, путями сообщения и удалением отбросов (мусора). При объединении Рурского округа работает консультант по вопросам горной промышленности, с которым согласовываются все вопросы, связанные с граница ми областей возможных провалов, уступов и оседанпй,

а также вопросы специальных ограничений использования территории, свя­ занных с ее затоплением и подработкой. Наконец, Управления составляют планы руководства строительством в соответствии с § 30 федерального закона о гражданском строительстве — план подготовительных работ по использова­ нию территории и обоснованный генеральный перспективный план застройки, на которых выделены площади, занятые сооружениями горных предприятий и опасные зоны. Вопросы об использовании земельных участков для нужд горного предприятия и размещения наземных сооружений горное предприятие обязано согласовывать с упомянутыми планирующими организациями.

Эмшерское товарищество (г. Эссен) и Товарищество по осушению левого берега р. Рейна занимаются вопросами устройства стоков для вод, откачивае­ мых из горных выработок, и насосных станций для осушения подвергшихся сильному оседанию районов. Оседание земной поверхности в некоторых слу­ чаях может даже быть полезным, как это можно видеть на примере сотрудни­ чества Управления речного порта в г. Дуйсбурге с горными предприятиями. Там по совету Управления водными путями сообщения была произведена выемка нерентабельных для разработки запасов угля под территорией порта, в результате чего эта территория опустилась настолько, что оказалась возмож­ ной дальнейшая эксплуатация порта, несмотря на эрозию русла р. Рейна и опускание горизонта воды, достигающее 4 см в год [397].

Наконец, можно привести примеры трассирования дорог в районах гор­ ных разработок и выбора места для сооружения транспортной развязки на автостраде Дуйсбург — Беккум [442]. Под выбранной трассой автострады залегает свита пластов различной мощности, от нескольких метров до 35 м (рис. 261, а, б). Если бы трасса была запроектирована несколько севернее, то на участке между Кастроп-Раукселем и Каменом суммарная мощность уголь­ ных пластов была бы меньшей и более равномерно распределенной при боль­ шей мощности покрывающих пород. В отличие от этого, при проектировании ответвления дороги на Леверкузен геология и тектоника массива горных пород была учтена полностью. Это пересечение дорог у Камена было размещено между двумя крупными тектоническими нарушениями, выходы которых на зем­ ную поверхность располагались за пределами сооружений (рис. 261, в, г). Участок месторождения, отмеченный на плане (рис. 261, в) штриховкой, сильно нарушен и непригоден для разработки. Запасы угля, которые могут быть извле­ чены, находятся только за пределами зоны влияния. Приведенные соображения могут быть приняты во внимание также при выборе трасс каналов, магистраль­ ных трубопроводов, железных дорог и при выборе мест для строительства промышленных предприятий и крупных населенных пунктов.