Крепление выработок набрызг-бетоном и анкерами при строительстве транспортных тоннелей и метрополитенов

11—металлическая опорная плита; 12—воздухоотводная трубка; 13— корневой замок

467. Установку анкеров с жестким анкерным стержнем с размещением закрепляющего раствора в ампул-патронах рекомендуется осуществлять анкероустановочными модулями, смонтированными на манипуляторах буровых установок и позволяющими с одной позиции выполнить механизированно весь комплекс операций—бурение шпура, подачу в шпур ампул-патронов и установку анкерного стержня.

4.68. Операции по установке цельноомоноличиваемых стержневых анкеров типа “Перфо” следует производить в такой последовательности:

приготовление песчано-цементного раствора;

формовка и заполнение раствором перфоцилиндров;

заглубление перфоцилиндров в шпур с последующим внедрением арматурного стержня на заданную глубину, фиксация стержня деревянным клином в устье шпура.

Формовку и заполнение раствором перфоцилиндров производят в шаблоне на верстаке вблизи места установки анкеров партиями не более 8—10 шт. Готовые перфоцилиндры скрепляют проволокой или хомутами через 0,3—0,5 м.

4.69. Забивку в шпур анкерного стержня следует производить пневматическим инструментом (отбойным или чеканочным молотком, перфоратором с насадкой).

Рис. 13. Корневой сталеполимерный анкер:

а—анкер в сборе в процессе установки в шпур; б—анкер после установки: 1—ампул-патрон;

.2—пластораствор; 3—капсула с отвердителем; 4—разрушаемое (фибра, резина и т. п.) дно;

5—разделительное эластичное уплотнение; 6—анкерный арматурный стержень

4.70. При установке преднапряженных анкеров типа “Перфо” с плунжером на замковом конце анкерного стержня (рис. 14) последовательность операций должна быть такой:

приготовление песчано-цементного раствора;

заполнение раствором и формовка перфоцилиндров в количестве не более 3 шт. при ранее уложенном в перфоцилиндр анкерном стержне;

установка анкера в сборе в скважину до упора в дно;

внедрение плунжера в перфоцилиндр с вытеснением раствора в зазор между перфоцилиндром и стенками скважины;

натяжение анкерного стержня после набора песчано-цементным раствором проектной прочности с фиксацией наружного конца в оголовке.

Внедрение плунжера в перфоцилиндр может производиться двумя способами:

надвижкой вглубь скважины перфоцилиндра трубчатым упором (например, буровым снарядом, подаваемым буровым станком) при зафиксированном в устье скважины рабочем стержне;

вытягиванием анкерного стержня натяжным устройством (домкратом или механизмом подачи бурового станка) при застопоренном в скважине трубчатом упоре или распорном стопоре перфоцилиндра.

Рис. 14. Схема плунжерного корневого анкера типа “Перфо”:

а—анкер в сборе в процессе установки; б—анкер после установки; 1—плунжер;

2—перфоцилиндр; 3—песчано-цементный раствор; 4— жесткое дно перфоцилиндра;

5—разделительная диафрагма-уплотнение; 6—анкерный стержень; 7—трубчатый упор

Испытания анкеров на прочность закрепления. Контроль качества при возведении анкерной крепи 4.71. Установку анкеров следует производить только под наблюдением ответственного представителя технического персонала, имеющего необходимый опыт, на которого возложен операционный контроль и обеспечение соответствия конструкции анкеров и шпуров проекту (паспорту крепления), а также контроль за проявлением особенностей инженерно-геологических условий, влияющих на качество и эффективность анкерной крепи.

Выработки, закрепленные анкерной крепью, следует осматривать ежесуточно. Осмотр производится начальником участка или его заместителем и участковым маркшейдером. Начальники смен и сменные маркшейдеры должны осматривать призабойные участки выработок с анкерной крепью ежесменно.

4.72. Все отступления от проекта при установке анкеров подлежат исправлению, либо должны быть обоснованы и согласованы с представителями, компетентными принимать решения по изменению паспорта крепления или его корректировке.

4.73. Определяющие параметры в виде расчетных значений характеристик анкерного крепления, подлежащие выходному контролю, должны быть указаны в паспорте крепления выработки.

Обязательным является включение в число определяющих параметров анкеров, контролируемых с особой тщательностью и ответственностью, расчетных значений несущей способности замков (для клиновых и других анкеров этого типа) или прочности закрепления замковой части анкеров омоноличиваемой конструкции (железобетонных, на пласторастворах и т. д.).

4.74. Для испытания анкеров рекомендуется применять гидравлический домкрат типа СМ-514 с насосной станцией, а также комплект гидроинструмента УВШ-5/15.

4.75. При проведении испытаний металлические анкеры следует устанавливать в кровле или в стенах выработки, но обязательно в тех инженерно-геологических условиях, в которых они будут применяться. Железобетонные анкеры и анкеры на пласторастворах необходимо устанавливать для испытаний только в кровле выработки, причем осуществлять .проверку только прочности закрепления замковой части.

Длина металлических анкеров, отобранных для испытаний, должна соответствовать паспорту крепления.

Для определения прочности закрепления необходимо испытать не менее 10 анкеров.

4.76. Перед началом испытаний необходимо снять с установленных анкеров гайки и опорные шайбы, выровнять поверхность выработки вокруг анкеров и удалить выступы, мешающие опиранию домкратов. На анкер следует надеть сферическую шайбу и навинтить гидравлический домкрат. Нагрузка должна фиксироваться по показателям манометра.

Перемещение конца анкера следует определять, как правило, с помощью теодолита. В скальных грунтах с коэффициентом крепости более 6, R_c³60 МПа, когда есть уверенность, что грунт под сферической шайбой не будет сминаться, допускается измерять перемещение конца анкера с помощью линейки.

4.77. При испытаниях металлических анкеров нагрузку следует прикладывать ступенями через 10 кН, начиная с 40 кН, и при каждой ступени нагрузки фиксировать перемещение. Испытания следует прекратить при достижении перемещения 10 мм. Полученные результаты отмечают в журнале испытаний (приложение 18).

4.78. При испытаниях прочности закрепления замков железобетонных и сталеполимерных анкеров перемещения не измеряют, а фиксируют только максимальное усилие, развиваемое испытательным домкратом, которое резко падает при нарушении сцепления стержня с раствором.

В случаях, когда шаг и длина таких анкеров приняты .конструктивно заведомо больше расчетных значений по несущей способности при испытании их усилием, превосходящим расчетное в 1,5 раза, вырыва анкера может и не произойти В этих случаях дальнейшее нагружение не производят, а несущую способность замка условно принимают равной этому испытательному усилию.

4.79. Результаты натурного определения прочности закрепления замков анкеров следует обрабатывать по форме указанной в табл. 12.

Таблица 12

Номера испытанных анкеров

Прочность закрепления замка

Отклонения от среднего арифметического

Квадраты отклонений величин от среднего арифметического

1

N₁

N_н— N₁

(N_н— N₁)²

2

N₂

N_н— N₂

(N_н— N₂)²

3

N₃

N_н— N₃

(N_н— N₃)²

¼

n

N_n

N_н— N_n

(N_н— N_n)²

åN_i

—

å(N_н— N_i)²

—

Разброс результатов испытания оценивают коэффициентом вариации V=S/N_н. Результаты следует считать удовлетворительными, если V£0,25. При V>0,25 испытания анкеров необходимо повторить. Разброс результатов можно уменьшить путем повышения качества изготовления анкеров и освоения технологии их установки.

Конечной целью обработки результатов испытаний является определение расчетной прочности закрепления N, вычисляемой по формуле

4.80. Для замков, находящихся в условиях сезонного замораживания и оттаивания, расчетное значение прочности закрепления принимают с понижающим коэффициентом 0,85.

4.81. При определении прочности закрепления замка должна быть исключена возможность пластических деформаций стержня анкера.

Появление пластических деформаций стержня характеризуется наличием перемещений его конца без увеличения давления жидкости в домкрате.

4.82. Натяжение установленных в выработке металлических анкеров с течением времени уменьшается. Снижение напряжения до величины менее 20 кН не допускается. Для контроля за изменением натяжения следует применять предварительно протарированные пружинные шайбы, гипсовые маячки или резиновые динамометры.

Допускается определять натяжение по величине крутящего момента при завинчивании гайки анкера.

Контролю подлежат не менее 2% всех установленных металлических анкеров, но не менее 10 штук.

4.83. По усмотрению главного инженера строительной организации не реже чем 1 раз в два месяца необходимо производить осмотр всех анкеров и в необходимых случаях производить подтягивание гаек. Эти работы должны выполнять квалифицированные крепильщики.

Результаты осмотра анкеров с указанием пикетов и устраненных нарушений, результаты контроля натяжения и выборочных испытаний анкеров, а также допущенные отклонения от паспорта анкерной крепи следует заносить в журнал производства горных работ, предусмотренный главой СНиП на строительство тоннелей.

5. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИЙ 5.1. Комбинированные конструкции крепей из сочетании анкеров с набрызгбетоном, арок с набрызгбетоном, анкеров с арками и набрызгбетоном следует рассчитывать на нагрузки, определяемые в соответствии с п. 3.26. При этом необходимую толщину набрызгбетона следует определять в соответствии с пп. 3.29, 3.30.

5.2. Обделки из набрызгбетона и анкеров рекомендуется рассчитывать как многослойные конструкции, внешний слой которых—омоноличенная (набрызгбетоном, анкерами) породная зона (рис. 15). В качестве исходных данных для расчета следует принимать: толщину породобетонного слоя h_о с усредненным модулем деформации Е₂; толщину слоя грунта, омоноличенного анкерами h_a с модулем деформации E₁; толщину набрызгбетонного покрытия h_н с модулем деформации E_н. В результате расчета определяется нормальное давление P_о и сдвигающее усилие Р_с на контакте “обделка—грунт”.

Рис. 15. Конструкция комбинированной анкер-набрызгбетонной крепи (обделки):

1—анкер: 2—слой грунта, “прошитый” анкерами; 3—породобетонный слой; 4— первичная крепь: 5—вторичная крепь (обделка)

Толщину h_о бетонопородного слоя (см. рис. 15) следует определять на основании натурных измерений или теоретически.

Для вычисления указанных параметров конструкции рекомендуются следующие выражения:

,

где d_т—ширина трещин, см; К_т—категория трещиноватости;

E₂ = (0,5¸0,7)Е + (0,5¸0,3)Е_н ,

где Е—модуль деформации грунта “в куске”, МПа.

, где

, где ;

g—коэффициент Пуассона грунта.

5.3. Сцепление Р_с на контакте “обделка—порода” необходимо проверять на выполнение условия

,

где Р_о—нормальное давление грунта на обделку, МПа; f*—коэффициент трения по контакту “обделка—порода”; К*—сцепление “обделка—порода”, МПа.

При невыполнении этого условия возможно проскальзывание покрытия по контакту, в этом случае обделку следует рассматривать как обычное монолитное кольцо.

Анкеры повышают надежность совместной работы набрызгбетонного покрытия с породой. При этом перемещение конца анкера W_p, в см, должно удовлетворять условию

где Q_a—предельная несущая способность анкера, кН.

5.4. При проектировании анкер-набрызгбетонной обделки в грунтах, склонных к ползучести, последнюю следует учитывать, полагая модуль деформации Е и коэффициент Пуассона у грунта функциями времени, определяемыми путем натурных исследований, МПа:

где f_э (t)—конвергенция экспериментальной выработки, м; Н_з—глубина заложения выработки, м; R_э—радиус экспериментальной выработки, м.

В качестве условия устойчивости выработки в таких грунтах в различные периоды времени рекомендуется пользоваться соотношением:

,

где f(z_y)—функция, учитывающая место установки крепи, допускается принимать f(z_y)=

5.5. При проектировании анкер-набрызгбетонной обделки в сейсмических зонах параметры конструкции, полученные расчетным путем, следует проверять в соответствии с “Инструкцией по учету сейсмических воздействий при проектировании горных транспортных тоннелей” (ВСН 193—81). М., ВПТИтрансстрой, 1982.

Особенность расчета в этом случае состоит в том, что напряжения сжатия от сейсмических волн следует суммировать со статическими напряжениями сжатия в первичной обделке, что может явиться причиной разрушения обделки в то время, как напряжения растяжения от сейсмических волн могут стать опасными для менее нагруженной вторичной обделки.

5.6. Варьируя межанкерное расстояние а, длину анкера l_а и толщину покрытия из набрызгбетона h_н, добиваются устойчивости выработки при минимальных затратах труда и материалов на их возведение. Задача оптимизации комбинированной конструкции в этом случае сводится к определению такого сочетания параметров крепи а, l_а и h_н, при котором будет обеспечено устойчивое состояние выработок и вместе с тем минимизируются функции себестоимости и трудозатрат на возведение крепи (целевая функция).

Методика решения этой задачи и выбора оптимальных значений параметров анкер-набрызгбетонной крепи в большом диапазоне горно-геологических условий приведена в приложении 19.

5.7. При расчете конструкции арочно-набрызгбетошюй крепи следует учитывать, что набрызгбетон может быть использован: в качестве затяжки между арками; как забутовка, обеспечивающая гарантированный контакт по периметру выработки; как элемент обделки, для которой арки являются армирующим элементом. В зависимости от функций, в расчетной схеме должны приниматься соответствующие условия контакта конструкции с контуром выработки. Принципы оптимизации параметров арочно-набрызгбетонной крепи приведены и приложении 20, расчет арочной крепи как самостоятельной конструкции приведен в приложении 21.

5.8. При проектировании арочно-анкерной крепи длину анкеров ориентировочно можно выбирать по п. 4.34 таким образом, чтобы она превосходила глубину зоны возможного обрушения.

Упругие опоры, моделирующие контакт с породой, следует совмещать с местами установки анкеров, причем жесткость опоры в направлении внутрь выработки—по формуле:

где Е_а—модуль упругости материала анкера, МПа; F_a—площадь сечения анкерного стержня, м²; l_с—свободная (до замка) длина анкера, м.

6. КОНТРОЛЬ И ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ КРЕПИ 6.1. При сооружении тоннеля с использованием набрызг-бетонной крепи в грунтах, заметно проявляющих горное давление, для обеспечения безопасности работ необходимо помимо обоснованного назначения параметров крепи также проведение специальных наблюдений с последующей оценкой состояния крепи.