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

Рис. 42. Исследование породного массива вокруг подземного машин­ ного зала (модель из эквивалентных материалов)

ние выработки от поверхности 100 м. Подземное машинное здание по проекту располагалось в слоистых известняках, разбитых мно­ гочисленными тектоническими трещинами, в большей части не запол­ ненными или заполненными глинкой трения и брекчией. Средний размер породного блока, образованного в сечении пересекающимися

Исследования проводили в четыре этапа: при пройденной подсводо­ вой части выработки определяли деформации и напряжения в породе от бытового горного давления при незакрепленном своде и при уста­ новке в своде анкерной крепи; выработку доводили ^до проектного очертания, устанавливали бетонный свод, опирающийся выносными пятами на породу; измерения проводили при незакрепленных стенах

и при закреплении стен анкерами.

На основании исследований были получены следующие резуль­

таты:

по своду выработки (этапы 1 и 2) — при отсутствии крепи в своде возникают растягивающие напряжения, в углах — концентрации сжимающих напряжений, достигающие 180 кгс/см2. После установки анкерной крепи растягивающие напряжения на контуре выработки отсутствуют, сжимающие — уменьшаются до 40 кгс/см2, максималь­ ные сжимающие напряжения (225 кгс/см2) возникают в глубине массива, осадка кровли уменьшилась на 35%; закрепленная анке-

110

рами порода работает как свод, воспринимающий нагрузку от гор­ ного давления;

по стенам (этапы 3 и 4) — при установленном бетонном своде и незакрепленных стенах массив сжат, наибольшие напряжения возникают на контуре выработки. После установки анкеров мак­ симальные напряжения действуют в глубине массива, на контуре напряжения уменьшаются на 30—40%, осадки породы под пятами бетонного свода уменьшились вследствие закрепления стен анкерами на 30-35% .

Напорный туннель. Исследование проводили для проверки тео­ ретических предпосылок, предварительных расчетов и уточнения параметров анкерной крепи, а также получения сравнительной ха­ рактеристики работы арочной и анкерной крепей. Туннель пролетом 11,8 м и высотой 5,65 м (верхняя часть) расположен на глубине 540 м от поверхности в известняках с пределом прочности на сжатие 800 кгс/см2. Пласты мощностью 0,5 м наклонены под углом 65° к оси туннеля. Нормально к пластам проходят тектонические тре­ щины через 1—1,5 м, заполненные глинкой трения.

Модели были выполнены в геометрическом масштабе 1 : 60, мас­ штаб напряжений 1 : 52. Исследования проводили в четыре этапа: измеряли деформации и смещения на контуре выработки и в глубине массива породы при бытовом давлении для незакрепленной выра­ ботки, для туннеля закрепленного арками и для туннеля, закреплен­ ного анкерами; определяли характер деформаций при превышении бытового давления и разрушении выработки, закрепленной анке­ рами.

На основании исследований были получены следующие резуль­ таты:

установка анкерной крепи приводит к образованию несущего породного свода, что подтверждается уменьшением деформаций контура выработки на 30% со стороны подсеченных пластов и на 8% с противоположной стороны (аналогичный эффект при установке арочной крепи 40 и 12—19%), а также увеличением на 10% сжима­ ющих напряжений в массиве на уровне пят породного свода в 3— 5 м от контура выработки;

разрушение модели произошло при нагрузке, в 2 раза превыша­ ющей бытовое давление, причем первые вывалы возникли со стороны неподсеченных пластов породы. Наблюдалось интенсивное раскрытие трещин напластования и смятие пластов под пятой породно-анкер­ ного свода, что подтверждает его несущий характер;

напластование обусловливает анизотропию горного массива, при­ водящую к несимметричному распределению деформации вокруг выработки (радиальные деформации породы со стороны подсеченных

эквивалентных материалов выполняли с целью сравнения несущей способности двух видов крепления туннеля в слабых скальных

І И

породах: арочной крепи и анкеров в сочетании с покрытием из набрызгбетона. Туннель имел корытообразное поперечное сечение пролетом 10,3 м и высоту (верхняя часть сечения) 7,8 м.

Исследования проводили на трех индентичных моделях, в каждой из которых моделировался определенный вид крепи. В ходе экспе­ римента модели были доведены до разрушения и определены предель­ ные нагрузки, а также деформации (осадки) свода выработки и уточ­ нен характер разрушения модели. Геометрический масштаб модели­ рования был принят 1 : 50, толщина модели 14 см соответствует 7 м длины туннеля. Прочность моделируемого массива породы (алевро­ литы) в натуре составляет 100 кгс/см2, что соответствует IV катего­ рии породы по СНиП.

Выбранный материал, эквивалентный породе, представлял собой песчано-парафиновую смесь из песка люберецкого (90%) и парафина (10%). Смесь укладывали в стенд в разогретом состоянии при температуре t° = 70° С и уплотняли трамбованием. Материал-эк­ вивалент указанного состава имеел предел прочности на сжатие 7?СЖ(М) = 20 кгс/см2, что соответствовало масштабу напряжений 1 : 5.

Арочную крепь моделировали с соблюдением условия ШрРГ,,.] == = const и исследовали в двух вариантах, соответствующих крайним возможным случаям. В первом варианте моделировали арки со сплош­ ной затяжкой и расклинкой по всему контуру, обеспечивающей равномерную передачу нагрузки от породы. Этот вариант отвечает в натуре обетонированным аркам. Во втором варианте моделировали арки, воспринимающие усилия от горного давления в отдельных (8— 10) точках расклинки, что соответствует характерным условиям в на­ туре. Замоделированная в обоих вариантах арочная крепь отвечает в натуре расчетным металлическим аркам из двутавра № 30 при расстоянии между арками по осям 75 см. В первом варианте арки для модели изготовляли из органического стекла. Арки в этом случае обладают высокой деформативностью, что отражает способность ме­ таллической арки к пластическим деформациям при надлеяшщим об­ разом выполненных соединениях. Во втором варианте арки изгото­ вляли из гипсобетона. Материал арки на моделях при этом харак­ теризуется хрупким разрушением, что соответствует в натуре метал­ лической арке с торцовыми накладками на болтах.

Анкерную крепь в своде моделировали проволочными стержнями длиной по 5,6 см, установленными радиально к своду выработки с шагом в 2 см, в натуре анкера имеют длину 2,8 м шаг 1 м. Покрытие

Вмоделях измеряли абсоліртную величину осадки свода выработки

взамке под крепью с помощью индикаторов часового типа. Точ­ ность измерения 0,01 мм в модели, или 0,5 мм в пересчете на натуру. На рис. 43 показаны графики нагрузок на модель Р, соответству­ ющих осадкам свода выработки в замке б (в пересчете на натуру)

112

По отношению же к нормативному коэффициенту запаса устой­ чивости (1,4—1,5) анкерная крепь с набрызгбетоном в данном случае обеспечивает превышение в размере 50—60%, арочная крепь в наи­ выгоднейшем варианте 80—90%, а в невыгоднейшем варианте коэф­ фициент запаса снижается по отношению к нормативному на 35—

30%.

Таким образом, па основании результатов данного модельного исследования можно заключить, что анкерная крепь в сочетании

с набрызгбетоном обладает достаточным запасом прочности в рас­ сматриваемых условиях и с этой точки зрения незначительно отли­ чается от арочной крепи в наивыгоднейшем варианте (типа обетони­ рованных арок). В то же время устойчивость арочной крепи меняется в широких пределах в зависимости от конструкции арок и способа их расклинки, причем коэффициент запаса устойчивости арочной крепи практически может оказаться меньше расчетного. Поэтому применение анкерной крепи и набрызгбетона в данных условиях наи­

более целесообразно.

Эти рекомендации были использованы при решении вопроса о способе проходки и типе временной крепи на участке слабых пород

и крепления крупной подземной камеры

Как отмечалось выше, наиболее целесообразным решением при проведении модельных исследований является переход на комплекс­ ность таких исследований, т. е. они должны вестись различными ме­ тодами, дополняющими друг друга и обеспечивающими всестороннее решение проблемы. Естественно, что модельные исследования не

114

исключают необходимость натурных замеров в процессе строитель­ ства подземного сооружения.

Институты Оргэнергострой (Москва) и Эрцпроект (Лейпциг) при участии Фрейбергской горной Академии (ГДР) в 1970—1971 гг. провели комплексные модельные исследования устойчивости круп­ ной подземной камеры машинного зала гидроэлектростанции с вы­ бором схемы и параметров ее крепления [103]. Результаты этих исследований, описанные в настоящем параграфе, позволили раз­ работать рекомендации по уточнению проектных конструкций и спо­ собов производства подземных работ.

Объект и состав исследований. Исследуемая область горного массива содержит часть камеры (подземного машинного зала) длиной 60 м, высотой 42 м и пролетом 24 м, примыкающие к ней подводящие и отводящие туннели с монтажными камерами, а также вертикаль­ ную шахту с тремя кабельными туннелями.

Горный массив в исследуемой области сложен скальными поро­ дами. Образцы породы характеризуются средними значениями ста­

из которых характеризуется значениями угла внутреннего трения 25° и сцепления 0,1—0,3 кгс/см2. Массив в целом с учетом трещино­ ватости имеет средний по различным классам породы модуль упру­ гости от 1-105 до 3 -ІО5 кгс/см2, модуль общей деформации под на­ грузкой от веса вышележащих пород — от 0,3• 105 до 1,4-ІО5 кгс/см2 и коэффициент Пуассона 0,15—0,30.

Прогнозируемый расчетный приток грунтовых вод в зоне камеры составлял 20—25 л/с.

Разработку камеры производили по следующей схеме: вначале раскрывали подсводовую часть высотой около 8 м на полный пролет с закреплением свода анкерами и набрызгбетоном, затем возводили железобетонный свод, под защитой которого разрабатывали основное ядро камеры уступами высотой по 4 м с креплением стен анкерами. К моменту разработки ядра будут пройдены все примыкающие к ка­ мере выработки.

Ввиду ответственности и сложности проблемы выбора схемы крепления и обеспечения устойчивости камеры проведены исследо­ вания с использованием различных методов моделирования — ста­ тических и динамических как в упругой стадии, так и за ее пределами вплоть до разрушения моделей, а также аналитические расчеты.

Исследования выполняли в такой последовательности: определяли на плоских моделях методом фотоупругости напря­

женное состояние горного массива вокруг незакрепленной камеры в предположении изотропного упругого горного массива для общей оценки устойчивости выработки;