Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Анализ вопросов эксплуатации туннелей магистральных каналов мелиоративного назначения. Научный обзор
.pdf
М
массива, %). В таблице 1 приведены характерные значения этих показателей в зависимости от степени трещиноватости пород.
1 – проектный контур крепи; 2 – фактическое очертание вывала породы;
3 – прослои слабых пород
Рисунок 13 – Характерные вывалы пород
при проходке туннелей по простиранию пластов
Как видно из рисунка 13, образование вывалов происходит в основном со стороны нависающих пластов.
Таблица 1 – Показатели трещиноватости пород
Степень
трещиноватости пород
Слабо трещиноватые > 0,65 < 1,5 < 1
Средне трещиноватые 0,65-0,20 1,5-5,0 1-2
Сильно трещиноватые 0,20-0,03 5-30 2-5
Очень сильно трещиноватые
(раздробленные, выветренные)
Расстояние
между
трещинами, м
< 0,03 > 30 > 5
Модуль
трещиноватости
Коэффициент
трещинной
пустотности,
%
21
Величина горного давления зависит от многих факторов: геологических и гидрогеологических условий в районе предстоящих работ; физикомеханических свойств пород; формы и размеров поперечного сечения выработки; расположения трассы в продольном отношении (горизонтальная,
наклонная, вертикальная); времени между произведенной выработкой и
устройством облицовки и др.
В настоящее время, как показывает анализ, существуют многие теории и гипотезы, на основании которых авторы их предлагают соответственно и методы инженерного расчета туннелей.
Наиболее проста теория горного давления, трактующая его величины
по аналогии с гидростатическим давлением: чем глубже заложена выработка, тем больше давление (как в воде). Но это было бы близко к истине
для легкоподвижных грунтов плывунного типа и очень далеко от действительности для более или менее крепких или связных пород [1].
Некоторые авторы рекомендуют определять величину горного давления с помощью теории сыпучих тел.
Есть сторонники предположения о том, что породы обладают свойствами упругости, являются изотропными. Они предполагают определять
величину горного давления на основе теории упругости.
В каждой из этих предпосылок имеется разумное зерно, и для определенной категории грунтов и пород та или иная из них приведет к более
или менее приемлемым результатам, но ни одна из них не может быть
универсальной.
Заслуживают внимания современные методы, основанные на наблюдениях в натуре и констатирующие образование над выработками естественного свода различного очертания и различной величины.
Наиболее удачным и правильным оказался метод профессора
М. М. Протодьяконова [1], предложенный и разработанный им в стройную
и легко применимую в практических условиях теорию.
Теория М. М. Протодьяконова, кроме того, что она главной предпо-
22
сылкой принимает образование свода, предусматривает возможность применения к горным породам законов теории сыпучих тел с введением вместо настоящего коэффициента трения так называемого кажущегося коэффициента трения, учитывающего кроме сил трения, также и силы сцепления между отдельными частицами. Этот коэффициент назван М. М. Протодьяконовым коэффициентом крепости пород
f . Он изменяется в широ-
к
ких пределах – от 0,3-0,6 для плывунов, песка, супеси, растительного грунта и торфа до 20 и выше для крепких горных пород – базальтов, порфиритов и др. Таким образом, охватываются все категории грунтов, практически встречающиеся при туннельных работах, как в горных, так и в равнинных условиях.
М. М. Протодьяконов рассматривает две основные схемы горного
давления:
- для крепких пород, когда бокового давления практически нет или
оно весьма мало;
- для мягких пород, когда наряду с вертикальным давлением наблю-
дается еще и боковое.
На рисунке 14 представлены схемы горного давления по М. М. Протодьяконову [1]. По первой схеме предполагается (рисунок 14, а), что обрушение произойдет только со стороны кровли и на высоте H по линии
АОВ прекратится, то есть образуется естественный свод, причиной образования которого явилась выработка шириной l, действием сжимающих сил.
а б
a – крепкие породы; б – мягкие породы
Рисунок 14 – Схемы горного давления по М. М. Протодьяконову
23
l
3
Профессор М. М. Протодьяконов получил уравнение параболы для
очертания свода с параметрами H и l, которые необходимы для расчета, и
величина которых определяется при двойном запасе устойчивости
свода [1]:
H , (1)
2 f
к
где H – высота свода обрушения или естественного свода в ключе, м;
– ширина выработки (пролет в свету), м;
l
f – коэффициент крепости породы.
к
Величина вертикального горного давления Р, кг/см2, на единицу длины туннельной выработки будет равна весу свода обрушения, то есть равна
площади параболы АОВ, умноженной на объемный вес породы и на единицу погонной меры перпендикулярно плоскости чертежа:
2
1
lHР , (2)
где – объемный вес породы, т/м3.
Если вместо H поставить его выражение из формулы (1), то полу-
чим окончательно
2
l
Для крепких пород при
f > 2-6.
к
Р
. (3)
3γf
к
Вторая схема относится уже к сравнительно мягким породам, то есть
к таким, где возможно образование боковых плоскостей обрушения и
в связи с этим увеличение размеров свода обрушения.
Пролет свода обрушения L, м, в этом случае (рисунок 14, б) будет
заведомо больше пролета выработки, и его можно выразить так:
45tg2hlL , (4)
2
где h – высота выработки в свету, м;
– угол внутреннего трения грунта.
24
H
Р
3
q
Высота
'
, м, свода обрушения А׳О׳В׳ определяется по аналогичной
предыдущему случаю формуле с той лишней разницей, что здесь вместо l
величина пролета свода обрушения равна L:
L
'
H . (5)
2 f
к
Вертикальная нагрузка на верхнюю часть обделки
, кг/см2, туннеля
принимается равной площади ACDB, умноженной на объемный вес грунта
(породы) и на единицу длины туннеля:
2
Имея в виду, что
H , а
'
L
'
2 f
к
2
lH
HlP
3
γγ
hl
45tg2
f
2
к
lHHHlР
. (6)
45tg2hlL , получаем:
2
2
, (7)
где γ – удельный вес грунта, кг/м3;
– угол внутреннего трения грунта, градусы.
Нагрузка на призмы обрушения при определении бокового давления
, кг/м, равна:
2
'
3
q
2
lL
2
2
PLH
3
PLH
'
. (8)
lL
Боковое давление E, кг/см2, определяется по формуле:
E . (9)
2
h
2
hq
45tgγ2
2
Формы поперечных сечений гидротехнических туннелей могут быть
весьма разнообразными в зависимости от условий, в которых ведется проектирование объекта.
25
Важным фактором при определении формы поперечного профиля
является гидравлическая схема работы туннеля.
Как правило, для напорных туннелей выбирают круглое сечение, так
как при внутреннем давлении эта форма наиболее рациональна. Она же
допускает и производство работ щитовым способом.
Круглое сечение принимают и для безнапорных туннелей в тех случаях, когда колебание уровней воды в туннеле в период эксплуатации невелико и для устройства туннеля выбран щитовой способ как наиболее современный и экономичный. Но иногда для безнапорных туннелей при
сравнительно большом диапазоне колебаний уровней воды более удобно и
выгодно сечение, несколько вытянутое по высоте – яйцеобразное при округлых внутренних очертаниях и прямоугольное при вертикальных боковых стенках.
Инженерно-геологические условия также могут определять выбор
поперечного сечения туннеля, а нередко диктуют тип сечения независимо
от гидравлических соображений.
1.3 Основные физико-механические свойства горных пород
Важными показателями геологической среды при прокладке туннелей являются горное давление, прочность, упругость, пластичность, крепость.
На горное давление влияют многочисленные факторы: прочность и
деформативность породы, условия ее формирования, трещиноватость,
морфология трещин и свойства заполнителя трещин, последовательность
разработки выемки, ее размеры и глубина заложения, время постановки и
жесткость крепей. В горно-складчатых структурах горное давление возрастает (рисунок 15).
Основные свойства горных пород можно подразделить на следующие две группы:
- физические свойства: плотность, пористость, влагоемкость, тепло-
26
проводность, проводимость звука, электрического тока и др.
- механические свойства: прочность, упругость, пластичность, кре-
пость, твердость, контактная прочность, абразивность.
1 – участок с высоким давлением грунта;
2 – участок со сравнительно небольшим давлением грунта
Рисунок 15 – Расположение туннеля в горно-складчатых областях
Прочность – одно из основных механических свойств горных пород,
она характеризует их способность в определенных условиях воспринимать
те или иные силовые воздействия не разрушаясь. Критериями прочности
являются временные сопротивления одноосному сжатию (ОСЖ), растяжению (ОР), сдвигу (Т). Наибольшее сопротивление горные породы оказывают сжатию, меньшее – сдвигу и наименьшее – растяжению.
Упругость – свойство горной породы восстанавливать свои первоначальные форму и объем по прекращению действия внешних сил. Упругие
свойства характеризуются модулем упругости и коэффициентом Пуассона.
Пластичность в противоположность упругости – свойство породы
сохранять остаточную деформацию после прекращения действия внешних сил.
Крепость – способность породы сопротивляться разрушению от действия внешних сил при различных технологических процессах разрушения
27
(бурение, резание, взрывание и др.). Крепость зависит от прочности, твердости, вязкости, упругости, минералогического состава и структуры породы, трещиноватости и других факторов. Впервые необходимость совокупной количественной оценки сопротивляемости пород разрушению для целей ведения горных работ была обоснована проф. М. М. Протодьяконовым
(старшим), создавшим известную шкалу относительной крепости горных
пород. За единицу крепости (F = 1) была выбрана порода с временным
сопротивлением одноосному сжатию, равным 10 МПа, при раздавливании
на прессе породного кубика; а все горные породы разделены на десять категорий: с коэффициентом крепости от F = 20 для первой категории (наиболее крепкие, плотные и вязкие кварциты и базальты и др.) до F = 0,3
для десятой категории (плывуны, разжиженный грунт и др.).
Крепость пород оценивается коэффициентом крепости. Коэффициент крепости пород по М. М. Протодьяконову в системе СИ рассчитывается по формуле:
где
σ – предел прочности на одноосное сжатие, МПа.
сж
f , (10)
σ1,0
сжк
1.4 Гидравлический расчет туннелей
1.4.1 Основные расчетные зависимости
Гидравлический расчет туннелей заключается в определении максимальной пропускной способности этих сооружений, а также в проверке их
при малых расходах на предотвращение возможности отложения в туннеле
взвешенных в воде частиц грунта [1].
Гидротехнические туннели рассчитывают как обыкновенные трубы,
если они работают сплошь заполненным сечением, и как каналы, если они
безнапорные, то есть по всей длине туннеля имеется свободная поверхность и уровень воды не поднимается выше 0,85 диаметра или вертикального размера.
28
l
d
g
K
l
i
K
С
λ
R
π
Потери напора по длине туннелей
h , м вод. ст., определяются
л
по формуле Дарси-Вейсбаха [4]:
2
l
h
л
λ
, (11)
gd
2
где λ – коэффициент сопротивления по длине;
– длина расчетного участка трубы, м;
– средняя скорость течения, м/с;
– диаметр трубы, м;
– ускорение свободного падения, м/с2.
Формула (11) преобразуется в следующие выражения:
2
lil
Q
h
л
2
, (12)
где Q – расход, м3/с;
– длина туннеля, м;
– гидравлический уклон туннеля;
– расходная характеристика, м3/с,
ω
RСК
где ω – площадь поперечного сечения, м2;
– коэффициент, м
0,5
/с, определяемый по известной формуле
Шези [4]:
8g
С , (14)
– гидравлический радиус, мм;
– число, равное 3,14.
52
π
dg
, (13)
8
л
2
QlAh
, (15)
где A – удельное гидравлическое сопротивление туннеля, определяемое по
формуле:
18
А
; (16)
252
Kdg
29
R
е
λ
λ
л
2
Qh
. (17)
Полное гидравлическое сопротивление туннеля S, м2/с, равно [4]:
8
lAS
l
dg
l
. (18)
252
K
Величина коэффициента сопротивления по длине туннеля λ для
подсчета K, A и S в области квадратичного закона сопротивления может
быть определена по формуле А. Д. Альтшуля [4]:
68
25,0
, (19)
К
где
К – значение эквивалентной разнозернистости абсолютной шерохова-
э
11,0λ
э
Rе
d
тости для туннелей с бетонной облицовкой, может быть определен по таблице 2 [4];
– значение числа Рейнольдса.
Значения коэффициентов λ и С определяются по формуле Н. Н. Павловского [4].
Таблица 2 – Значения коэффициента сопротивления λ, полученные
по формуле А. Д. Альтшуля
/ Kd
э
1 2 3 4 5 6
100 5000
120 4000
140 4000
160
200 400
Rе
10000
25000
6000
10000
25000
10000
40000
5000
10000
50000
2000
5000
0,0433
0,0398
0,0370
0,044
0,0413
0,0386
0,0358
0,0435
0,0380
0,0339
0,0413
0,0372
0,0327
0,0424
0,0334
0,0312
/ Kd
э
500 5000
700 8000
1000 12000
2000
3000 33000
Rе
50000
200000
70000
200000
30000
70000
400000
25000
200000
900000
200000
300000
1000000
0,0375
0,0266
0,0244
0,0348
0,0244
0,0266
0,0314
0,0264
0,0232
0,0204
0,0262
0,0188
0,0171
0,0244
0,0173
0,0170
0,0156
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]