Файл: Максимов С.Н. Инженерные сооружения (с основами строительного дела) учеб. пособие.pdf

крепить выработку и недопускать передвижения песков. В связи с эт1Ш при проходке песчаных грунтов в ряде случаев приходится применять специальные виды крепления горной выработки или ис­ кусственное закрепление песков.

Наиболее неблагоприятными породами для сооружения в них тоннелей являются водонасыгценпые пески-плывуны. В таких пес­ ках горное давление бывает особенно велико, а устойчивость их ничтожно мала, что требует применения мощного крепления и спе­ циальных методов проходки.

Величина горного давления зависит от размеров поперечного сечения выработки. В одних и тех же геологических условиях чем больше сечение, тем выше горное давление. Форма сечения также влияет на величину горного давления. Так, при прямолинейном очертании выработки горное давление будет выше, чем при свод­ чатом или криволинейном ее очертании.

Продолжительность периода времени между вскрытием поро­ ды горной выработкой и установкой в ней постоянного крепления сказывается на величине горного давления. Так, чем быстрее будет установлена обделка тоннеля, тем при прочих равных условиях горное давление будет меньше.

Жесткость крепления также влияет на изменение горного дав­ ления. Если крепление податливое, то горное давление может расти и после установки крепи, если же оно жесткое, то увеличение гор­ ного давления будет незначительным.

Горное давление является основной и часто решающей нагруз­ кой на обделку и временное крепление горных выработок и под­ земных сооружений, поэтому достаточно точное его определение необходимо для правильного проектирования тоннельных облицо­ вок и способов крепления.

Большое число факторов, влияющих на развитие горного дав­ ления и его величину, сильно усложняет и затрудняет его опреде­ ление и заставляет прибегать к разным методам, среди которых основными являются: аналитические методы, лабораторные испы­ тания на моделях и натурные полевые измерения.

Теоретическое определение горного давления основывается на рассмотрении напряженного состояния пород в массиве, вскры­ ваемом горной выработкой, а также перемещений и деформаций пород, окружающих тоннель. При этом горные породы рассматри­ ваются либо как несвязные, к которым применимы законы сыпу­ чих тел, либо как твердые изотропные тела, подчиняющиеся за­ конам теории упругости и пластичности.

За столетний период, прошедший после первого предложения о расчете величины горного давления, был предложен ряд гипотез (гипотеза Перрота о давлении клина породы над тоннелем, гипоте­ за Гейма о полном весе вышележащих пород, гипотеза сползаю­ щей призмы и др.). Однако наиболее правильно характеризует процессы, сопровождающие проявление горного давления, гипо­ теза р а з г р у ж а ю щ е г о свода , основанная на наблюдениях

259

над образованием естественных сводов в незакрепленных выработ­ ках. По этой гипотезе в породе над выработкой образуется раз­ гружающий свод, передающий давление вышележащей толщи на породы, слагающие бока выработки. В этом случае на крепь да­ вит только вес пород, отделившихся от массива в объеме контура ЛОВ, называемом сводом обрушения и имеющим высоту h (рис. 156). Разные авторы предлагают разные способы определе­ ния величины высоты свода обрушения.

1908 г., по которой все горные породы можно рассматривать как тела невязкие, характеризуемые условным показателем «кажу­ щийся коэффициент трения», или «коэффициент крепости», учи­ тывающим как силы трения, так и сцепления.

М. М. Протодьяконов рассматривает условия устойчивости равновесия свода обрушения ЛОВ под действием равномерно распределенного вертикального давления. При этом считается, что этот свод имеет параболическое очертание с высотой h, равной

где / — ширина выработки (рис. 156); f — коэффициент крепости породы.

Полное давление на крепь определяется как полный вес по­ роды в объеме свода обрушения:

Р . =— l-h-y = — уР,

3 3/

где у — объемный вес породы.

260

Величину коэффициента крепости можно определять: для несвязных пород

/' = tgcP ;

для связных пород

f = tg Ф ■g С .

а

для массивных (скальных и полускальных) пород

£ __ 7?сж

'~ 100 ’

где if — угол внутреннего трения; С—сцепление, кг/см2; о—сжи­ мающее давление, при котором определялось сопротивление сдви­

Опыты на моделях, выполненные еще М. М. Протодьяконовым, показали, что образование разгружающего свода возможно при заглублении выработок на глубину не менее двойной высоты сво­ да обрушения. По другим данным, это имеет место при глубинах более 2,5 ширин подземной выработки.

В породах, при которых в боках выработки возможно обра­ зование плоскостей сползания, расчетный пролет свода обрушения увеличивается на длину двух призм сползания (рис. 157) и может быть определен по формуле

L = /-:-2A0tg(45--^-),

где ho — высота выработки; ф — угол внутреннего трения породы. В этом случае высота свода обрушения будет соответственно

равна

Однако следует отметить, что величины горного давления, рас­ считанные по большинству современных гипотез, в том числе и по гипотезе М. М. Протодьяконова, часто дают довольно значительные расхождения с натурой. Это происходит главным образом потому, что эти гипотезы не учитывают влияние на горное давление таких факторов, как неоднородность свойств пород, условия залегания, трещиноватость, способы проходки, срок нахождения выработки во временном креплении, жесткость крепи и т. п.

В результате нарушения выработкой существовавшего на­ пряженного состояния происходит перераспределение напряжений, выражающееся, в частности, в возникновении около контура вы­ работки зон концентрации сжимающих напряжений, а на некото­ рых участках зон растягивающих напряжений.

При решении практических задач аналитическими методами приходится принимать во внимание, что концентрация напряжений по контуру выработки может приводить к образованию в породе пластических зон, в пределах которых следует учитывать не только

261

упругие, но и пластические деформации. Кроме того, при аналити­ ческом определении распределения напряжений трудно учесть ани­ зотропность свойств пород, вызванную не только различием этих свойств по разным направлениям, но и влиянием трещиноватости, условий залегания и т. п. Поэтому аналитические методы, основан­ ные на теории упругости и пластичности, при всей строгости ма­ тематической стороны часто не дают достаточно точного решения задачи определения горного давления.

Вторую группу методов определения величины горного давле­ ния составляют методы лабораторного моделирования. Среди них можно отметить методы центробежного моделирования (Покров­ ский, Федоров, 1953), оптического измерения напряжений (Трумбачев, 1955) и метод эквивалентных материалов (Кузнецов, 1948), Последние два метода нашли весьма широкое применение при оп­ ределении горного давления. Этими методами было исследовано горное давление на облицовку тоннелей и станций Ленинградского метрополитена, ряда глубоких горных выработок при разработке полезных ископаемых, а также гидротехнических тоннелей и под­ земных гидроэлектростанций.

Однако даже самые совершенные лабораторные исследова­ ния, являясь важным этапом в определении горного давления, не исключают необходимости проведения полевых опытов по изме­ рению горного давления в тоннелях.

Непосредственное измерение горного давления в тоннелях дает наиболее правильное представление о его величине, но для этого требуется готовая выработка. Это обстоятельство затрудняет получение данных о горном давлении, нужных для проектирования обделки. В связи с этим в особо ответственных случаях в процессе проектирования и изысканий приходится закладывать опытные участки тоннеля полного профиля и на них определять величины горного давления.

Для проверки величин горного давления, принятых в расчет при проектировании, производят замеры его в процессе проходки тоннеля. Это осуществляют путем измерения напряжений, разви­ вающихся в элементах крепления и проявляющихся в деформаци­ ях конструкции крепления, а также путем измерения контактных давлений на отдельные элементы крепи или обделки.

Наиболее распространенными приборами для измерения на­ пряжений, используемые при замерах горного давления, явля­ ются электроакустические (струнные) тензометры и динамометры, разработанные впервые в СССР проф. Н. Н. Давиденковым в на­ чале 30-х годов. Работа этих приборов основана на свойстве звуча­ щей струны однозначно менять частоту своих колебаний при' из­ менении натяжения. Эти приборы закладывают внутрь тела обли­ цовки или элементов крепления и при помощи дистанционного из­ мерения определяют их напряженное состояние.

Для измерения напряжений на поверхности облицовки или элементов крепи на них наклеиваются проволочные датчики __

2 6 2