Файл: Мостков, В. М. Подземные сооружения большого сечения.pdf

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