Страница 4: Методические рекомендации по расчету временной крепи тоннельных выработок (48324)

Rα -   предел прочности материала арки.

Максимальная вертикальная нагрузка, которую способна нести арка qmax определяется max q = min qi (i = 1, 2, 3, ..., n).

5.8. Шаг арок α определяют из соотношения

,

где qp - расчетная нагрузка для данных условий нагружения.

Пример расчета арочной крепи приведен в приложении 4.

5.9. При проектировании арочно-анкерной крепи (рис. 6) длину анкеров следует выбирать ориентировочно по п. 3.3 настоящих Методических рекомендаций таким образом, чтобы она превосходила глубину зоны возможного обрушения.

Рис. 6. Схема арочно-анкерной крепи:

1 - анкер; 2 - граница зоны возможного обрушения; 3 - забивка; 4 - забутовка; 5 - арка

Упругие опоры в расчетной схеме, моделирующие контакт с грунтом, следует совмещать с местами установки анкеров, причем жесткости опоры в направлении от выработки определяют согласно п. 5.4, а внутрь выработки по формуле

,

где Eα -  модуль упругости материала анкера;

Fα -  площадь сечения анкерного стержня;

lc -   свободная (до замка) длина анкера.

Пример расчета параметров арочно-анкерной крепи приведен в приложении 5.

5.10. Анкер-набрызг-бетонную или арочно-бетонную крепь следует рассчитывать на нагрузки соответственно п. 5.2 с учетом полной величины упругого отпора Ko.

Требуемую толщину бетона или набрызг-бетона определяют по п. 4.5. Методы расчета оптимальных параметров конструкции арочно-набрызг-бетонной крепи приведены в гл. 7, а пример расчета - в приложении 6.

5.11. Статическую работу бетона или набрызг-бетона временной крепи следует учитывать в расчете постоянной обделки. Для статического расчета арок временного крепления составлена программа для ЭВМ (см. приложение 1).

6. РАСЧЕТ ОПЕРЕЖАЮЩИХ ЗАЩИТНЫХ ЭКРАНОВ ИЗ ТРУБ

6.1. При проходке выработок тоннелей в слабоустойчивых необводненных грунтах можно применять опережающие защитные экраны из труб (рис. 7, а, б). Для этого используют полые трубы, а также с бетонным или железобетонным заполнением, повышающим прочность и устойчивость трубы как тонкостенной пространственной конструкции.

6.2. Расчетом определяют, исходя из заданных величин нагрузок, внутреннего и наружного диаметров труб dвн и dн, предельной характеристики материала трубы Rр, соответствующих имеющимся номенклатурам труб, соотношение между величиной заходки lзах и расстоянием между осями труб d.

6.3. Для определения параметров экрана, как ограждающей крепи, расчетную схему трубы принимают в виде стержня, один конец которого заделан в грунте, а другой опирается на обделку (см. рис. 7, б) под воздействием равномерно вдоль трубы распределенной нагрузки от давления вышележащих грунтов.

6.4. Выбор нагрузки производится для случая неустойчивых грунтов, когда сводообразование невозможно, по формулам

,

где γi -   объемная масса грунтов с соответствующим слоем напластований;

Hi -  толщина слоев напластований над выработкой, м;

φк -  значение кажущегося угла внутреннего трения грунта вокруг выработки, град.

6.5. Для случая слабоустойчивых трещиноватых скальных грунтов, когда возможно сводообразование, нормативное вертикальное qн и горизонтальное γн давление, МПа, определяют следующими выражениями:

qн = kpγh1;

;

;

,

где kp -  коэффициент возможной перегрузки, определяемый по табл. 14 (см. п. 5.3);

L′ -  пролет свода обрушения, м;

h1 -  высота свода обрушения, м;

θ -   пролет выработки, м.

6.6. Трубы, расположенные в своде, рассчитывают на давление от нагрузки qн, а трубы, расположенные в стенах выработки, - на давление от нагрузки рн.

6.7. При определении расчетной величины длины трубы l1 следует исходить из того, что слабоустойчивый грунт, расположенный в неподработанной части выработки, склонен к вывалообразованию со стороны забоя. При незакрепленном забое возможный вывал грунта по линии естественного откоса увеличивает расчетную длину трубы по сравнению с длиной заходки l на величину .

6.8. Расстояние между осями полых труб определяют из условия прочности

,

где  -      максимальный момент в сечении трубы;

 - момент сопротивления сечения;

Rp -    предельное напряжение в стали;

qн и pн - соответствующие расчетные давления на экран, принимаемые по пп. 6.5 и 6.6.

Рис. 7. Схема к расчету защитного экрана из труб:

1 - контур выработки; 2 - трубы; 3 - постоянная обделка; 4 - забой; 5 - линии скольжения

6.9. При расчете экрана из труб с бетонным заполнением необходимо исходить из условия прочности

M ≤ RнpWT + RcpW,

где Rнp - нормативное сопротивление бетона растяжению;

W = 2Wo - момент сопротивления сечения с учетом несущей способности бетона в запредельной области;

Wo - момент сопротивления сечения для упругого материала

,

M и W - определяют по п. 6.8.

6.10. Для удобства пользования описанными методами составлены номограммы (рис. 6), с помощью которых можно определять параметры экрана из труб с учетом воздействия столба грунта высотой и в пределах свода обрушения (см. рис. 8, а). Номограммы позволяют варьировать пролет выработки, коэффициент крепости грунта, длину трубы, ее внешний радиус и толщину.

6.11. Для более детального учета характеров взаимодействия труб и окружающего выработку грунта решены задачи о контактном взаимодействии защитного экрана из труб и грунта, где грунт моделировался упругой и упругопластической средами. При этом учитывались взаимное влияние труб и соотношения жесткостных параметров труб и грунта. Данный метод реализован в виде программ для ЭВМ (см. приложение 1).

7. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННОЙ КРЕПИ

7.1. Варьируя межанкерное расстояние α, длину анкера l и толщину покрытия из набрызг-бетона h таким образом, чтобы они удовлетворяли условиям пп. 3.3, 3.6, 3.9 и 4.5 настоящих Методических рекомендаций, можно добиться удовлетворительной устойчивости выработки. Из всех параметров крепи, обеспечивающих устойчивое состояние выработки, следует выбрать такое их сочетание, при котором себестоимость и трудозатраты возведения крепи являются минимальными.

Задача оптимизации конструкции комбинированной крепи формулируется следующим образом: найти сочетание параметров крепи α, lα, h, обеспечивающее устойчивое состояние выработок (т.е. удовлетворяющее выражениям перечисленных выше пунктов настоящих Методических рекомендаций) и минимизирующее функцию себестоимости или трудозатрат на возведение крепи (целевую функцию).

Рис. 8. Номограммы для определения параметров защитного экрана из труб:

а - в условиях сводообразования; б - при давлении столба пород высотой H

7.2. Выражение себестоимости (трудозатрат) С на возведение анкер-набрызг-бетонной крепи на одном метре тоннеля имеет следующий вид:

,

где Lв -     периметр контура выработки, м;

ζ, h, ξ - приведенные коэффициенты себестоимости (трудозатрат), по возведению крепи, в качестве которых рекомендуется назначать соответствующие единичные нормы (например, расценки и нормы времени по ЕНиР, сб. 36 вып. 2).

Первое слагаемое определяет затраты на бурение шпуров под анкеры, причем коэффициент ζ принимают в зависимости от способа бурения и категории грунтов по разработке по табл. 15, где в числителе дается норма времени в человеко-часах, а в знаменателе - расценка в рублях.

Второе слагаемое характеризует затраты на установку анкеров, причем коэффициент η принимает значения:

для металлических анкеров η = 0,31 чел.-ч или 0-34,4 руб;

для железобетонных анкеров η = 0,38 чел.-ч или 0-42,1 руб.

Третье слагаемое характеризует себестоимость и трудозатраты при нанесении набрызг-бетона; коэффициент определяют в зависимости от толщины слоев:

при нанесении первых 50 мм ξ = 0,55 чел.-ч или 0-55,9 руб.;

каждого последующего см - ξ =0,18 чел.-ч или 0-18,3 руб.

При вычислении себестоимости и трудозатрат на возведение крепи следует учитывать затраты на установку металлической сетки (на 1 м2 норма времени - 0,24 чел.-ч; расценка 0-26,6 руб.).

7.3. Решать задачу оптимизации параметров комбинированной крепи рекомендуется с помощью программы «Комбинированная крепь», составленной на языке Алгол 60 для ЭВМ (см. приложение 1). Программа позволяет определить параметры комбинированной крепи из анкеров и набрызг-бетона, в том числе усиленных подхватами, для указанных в соответствующих разделах настоящих Методических рекомендаций характеристик грунтов, выработки и конструкции крепи.

Таблица 15

7.4. Для выбора оптимальных значений параметров комбинированной крепи (набрызг-бетон и железобетонные анкеры) в грунтах с коэффициентом крепости f от 3 до 10 и разной степени трещиноватости, характеризуемой коэффициентом KT, при изменении пролета выработки θ от 3 до 12 м могут быть использованы номограммы приложения 7, построенные по данным машинного счета.

7.5. При рассмотрении и расчете конструкции арочно-набрызг-бетонной крепи можно представить несколько способов использования набрызг-бетона в комбинации с арками (табл. 16), отличающихся тем, что набрызг-бетон может быть использован в качестве затяжки между арками, как забутовка, обеспечивающая гарантированный контакт по периметру выработки, и как обделка, для которой арки являются армирующим элементом. При этом третий способ рассматривается при оптимизации конструкции крепления и постоянной обделки.

Таблица 16

7.6. Общая структура функции цели V определяется перечнем работ, связанных с сооружением арочно-набрызг-бетонной крепи

V = V1 + V2 + V3 + V4,

где V1, V2, V3, V4 -  определяют в соответствии технико-экономическими факторами изготовления арки, ее установки, обеспечения набрызг-бетоном гарантированного контакта, нанесения затяжки из набрызг-бетона.

При этом основными функциями цели являются функция стоимости Sк и металлоемкости, которые выражаются с помощью соотношений

;

,

где α -    шаг арок;

h - толщина покрытия из набрызг-бетона;

N -   номер профиля арки;

S1, S2, S3, S4 - коэффициенты сметной стоимости изготовления арки, ее установки, обеспечения контакта, нанесения набрызг-бетона, удельная металлоемкость.

7.7. Проведя серию расчетов для арок, изготовленных из различных профилей, определяют шаг арок, согласно которому выбирают с помощью п. 4.5 необходимую толщину набрызг-бетона. Затем согласно п. 7.6 подсчитывают величины SкM и из них определяют наилучшие.

Пример расчета оптимальной конструкции приведен в приложении 7.

8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КРЕПИ ЛБА ЗАБОЯ

8.1. Устойчивость забоя зависит от физико-механических характеристик окружающего выработку грунта и его напряженно-деформированного состояния. Под физико-механическими характеристикам грунта понимается прочность с учетом трещиноватости и обводненности, коэффициент сцепления, угол внутреннего трения и др. Напряженно-деформированное состояние определено как бытовыми условиями, так и наличием выработки и реакциями крепи и грунта.

8.2. В результате взаимодействия крепи выработки и забоя возникают реакции p - к поверхности выработки и q - к забою (рис. 9). В предположении жесткопластической модели грунта, характеризуемой условием прочности

(σx - σy)2 + 4τ2 = 4k2

и плоской картины деформирования вдоль оси тоннеля, условие устойчивости забоя имеет вид

,

где k - коэффициент сцепления;

Hз - глубина заложения выработки.

8.3. Рекомендуется такая последовательность расчета.

При выполнении условия

k(2 + π) ≥ γHз,

забой считается устойчивым, проходка ведется на полное сечение, мероприятия по креплению лба забоя не нужны, независимо от крепления кровли. В противном случае необходимо расчетным или экспериментальным путем определить реакцию крепи кровли p* и проверить выполнение условия

.

Выполнение этого условия свидетельствует о возможности оставления лба забоя без дополнительного крепления. При невыполнении этого условия лоб забоя нуждается в дополнительном креплении, конструкция которого должна обеспечить реакцию q*, определяемую из уравнения

Рис. 9. К оценке устойчивости лба забоя:

1 - граница выработки; 2 - забой

8.4. Конструкция и параметры крепи лба забоя должны обладать гарантированной несущей способностью по нагрузкам q*, определяемым соотношением п. 8.3.

8.5. В случае невозможности технологически выполнить условия п. 8.3, следует перейти на уменьшенную высоту разрабатываемого сечения до уровня, необходимого по условиям безопасности.