книги / Проектирование и расчёт крепи капитальных выработок

на р. Сераю (Центральная Ява), ирригационные тоннели водохранилищ Хантуман и Северный Кебир в САР, железнодорожные тон­ нели Мале Леднице и Полом в ЧССР. Экономический эффект, по­ лученный только в результате внедрения разработок ученых Туль­ ского политехнического института, составляет в среднем более 1 млн. руб/год. Вместе с тем необходимо отметить значительный

ивсе более углубляющийся разрыв между сегодняшними достиже­ ниями науки и практикой проектирования горных выработок и подземных сооружений. Практика проектирования горных выра­ боток и подземных сооружений и основные нормативные документы все еще ориентированы на традиционные методы расчета по задан­ ным нагрузкам, хотя эти методы на сегодняшний день во многих случаях не согласуются с практикой, как правило, вызывают повышенную материалоемкость, в том числе металлоемкость кон­ струкций, а в отдельных случаях могут дать ошибочный результат

иповлечь разрушение конструкции. Причина подобного состояния

дел заключается в тормозящем влиянии сложившихся стереотипов и привычек.

Методы механики подземных сооружений применяются при проектировании и строительстве сложных сооружений в сложных гидрогеологических условиях, таких, как тоннели БАМ, в слу­ чаях, если традиционные методы расчета приводят к чрезмерно усложненным или неосуществимым на практике конструкциям. Методы механики подземных сооружений послужили основой от­ раслевых нормативных документов: ВСН-193—81 Минтрансстроя

СССР и ОНТП 3—80 Минуглепрома СССР [18, 28]. Эти методы включены в ряд нормативных документов наряду с традицион­ ными методами [34, 35]. Что касается строительных норм и пра­ вил, то они в настоящее время лишь допускают рассчитывать крепь (обделку) методами механики подземных сооружений. Наиболее прогрессивной в отношении четкости формулировки является глава СНиП 11-40—80 «Метрополитены», в которой говорится,, что тоннельные обделки следует рассчитывать с учетом линейной работы материала конструкций и грунта, используя математиче­ ский аппарат строительной механики и теории механики сплош­ ных сред.

В главе СНиП 11-44—78 «Тоннели железнодорожные и авто­ дорожные» разрешение о применении методов механики подземных сооружений содержится лишь в примечании к п. 5.24 в следующей редакции: «Напряженно-деформированное состояние обделки и грунтового массива допускается определять методами механики: сплошной среды».

Остановимся на главе СНиП 11-94—80 «Подземные горные выработки». Несомненным и важным достоинством этой главы явля­ ется то, что в ней впервые в практике проектирования горных вы­ работок предусмотрено расчетное обоснование конструкций крепи. Напомним, что предшествующая практика заключалась в выборе готового типового сечения, привязка которого осуществлялась по коэффициенту крепости пород.

2.3. Порядок проектирования и расчета крепи Исходные данные

Проектирование и расчет крепи горных выработок в настоящее время рекомендуется осуществлять в такой последовательности.

Вначале анализируются горно-геологические условия строи­ тельства с точки зрения прогноза устойчивости породных обнаже­ ний при проведении выработок. По степени устойчивости пород выбираются тип, вид и возможные в данных условиях конструкции крепи. Окончательно параметры крепи (форма сечения, геометри­ ческие размеры, материал и его прочностные характеристики) уста­ навливаются на основании технико-экономического анализа и, на­ конец, прочностного расчета крепи.

2.3.1. Оценка устойчивости пород

Оценка устойчивости пород заключается в предварительной до­ статочно грубой, но тем не менее количественной оценке горно­ геологических условий с точки зрения прогноза поведения пород при их обнажении в процессе проведения выработок. Можно вы­ делить два вида нарушения устойчивости пород: вывалообразование (обрушение, разрушение в зонах концентрации напряжений) к смещение пород внутрь выработки без обрушений (заплывание выработки).

Принято выделять пять категорий пород по устойчивости (табл. 2.1) [10, 38]. Задача оценки устойчивости заключается в про­ гнозе вида нарушения устойчивости пород и отнесении рассматри­ ваемых условий к одной из указанных в табл. 2.1 категорий. Про­ цедура оценки устойчивости позволяет существенно сузить поле

за счет вполне устойчивых пород, вследствие чего исключены из рассмотрения случаи эксплуатации выработок без крепи (в мас­ сиве каменной соли, в монолитных изверженных породах) или с крепью в виде изолирующего покрытия, предохраняющего породы от выветривания. Далее устойчивость пород при проходке стволов рекомендуется оценивать с помощью показателя С, определяющего, в конечном счете, соотношение между весом столба пород уН и соп­ ротивлением породы сжатию /?с, т. е. рассматривается только один вид нарушения устойчивости — разрушение пород, а пока­ затель С рекомендуется в качестве универсального.

Дяя горизонтальных выработок СНиП рекомендует в качестве критерия для оценки устойчивости пород абсолютную величину расчетных максимальных смещений U (в мм) породной поверхно­ сти выработки (кровли, почвы или боков). В этом критерии соеди- -Нены два возможных вида нарушения устойчивости пород: разру­

шение (для осадочных и изверженных пород) и смещение (для со­ ляных пород). Исключение из рассмотрения вывалообразования, одной из наиболее распространенных форм нарушения устойчиво­ сти пород в горизонтальных выработках, нельзя признать оправ­ данным. Интересно сопоставить критерии устойчивости пород в горизонтальных и вертикальных выработках. Воспользуемся примером № 3 на стр. 210 в Руководстве [35]. Рассматривается одиночная горизонтальная выработка в слоистых породах Старобинского месторождения. Расчетная глубина Нр = 800 м, площадь поперечного сечения 20 м2, пролет 5 м, расчетное сопротивление пород сжатию Rc = 17,5 МПа. Установлено, что породы относятся к категории устойчивых.

породы относятся к категории неустойчивых. Степень устойчиво­ сти оказалась на два порядка ниже, что не согласуется с опытом, так как стволы находятся в более благоприятных условиях, и ус­ тойчивость пород в них должна быть во всяком случае не ниже, чем в горизонтальных выработках. В горнотехнической литературе

оценки (прогноза) устойчивости пород. Склонность скальных по­ род (рудных месторождений) к вывалообразованию определяется степенью их нарушенное™ трещинами и другими поверхностями ослабления, которые расчленяют массив на мелкие блоки, обрушающиеся под собственным весом при обнажении выработкой. Для оценки степени устойчивости таких пород хорошо зарекомен­ довала себя балльная система оценки (например, критерий Н.С. Бу­ лычева [10]). Для оценки устойчивости пород необходима возможно более детальная характеристика нарушенности массива: число систем трещин и поверхностей ослабления; интенсивность трещи­ новатости (среднее расстояние между трещинами); характер (шеро­ ховатость) поверхностей трещин; раскрытие и заполнение трещин. Принимается во внимание крепость пород, их обводненность, про­ лет выработки и ее ориентировка относительно систем трещин.

Склонность пород к разрушению оценивается соотношением прочности пород и начальных напряжений в нетронутом массиве. Наиболее простой критерий рекомендован Ю. 3. Заславским — это отношение веса столба пород к прочности их на сжатие уН1осж- Полный учет влияющих факторов (размеры и форма сечения вы­ работки, величина и ориентировка главных напряжений в мас­ сиве) осуществляется при использовании критериев, основанных на анализе формы и размеров возможных зон разрушения пород вокруг выработки (например, критерий Н. С. Булычева—Н. Н. Фо-

тиевой [10]).

Исходными данными для оценки устойчивости пород по их склонности к разрушению вследствие концентрации напряжений:

вокруг выработок являются характеристики прочности пород в массиве: сцепление и угол внутреннего трения; сцепление и угол внутреннего трения по поверхностям ослабления; ориентировка поверхностей ослабления в плоскости поперечного сечения выра­ ботки; форма и размеры выработки; величина и ориентировка глав­ ных напряжений в массиве (в том числе в плоскости поперечногосечения выработки).

Для оценки степени устойчивости пород по их склонности к вяз­ копластическому течению и заплыванию выработки необходимы реологические характеристики пород в массиве (характеристика ползучести и вязкости).

2.3.2. Выбор типа, вида и конструкции крепи

Выбор типа, вида и конструкции крепи осуществляется для: установленной категории устойчивости в соответствии с местными условиями, опытом проектировщиков и существующими рекомен­ дациями [35].

В настоящее время неоправданно широко распространена для крепления горизонтальных выработок металлическая рамная по­ датливая крепь (см. гл. 1). На основании результатов обширных: исследований, отечественного и зарубежного опыта применения так называемых облегченных видов крепи: анкерной, набрызгбетонной и комбинированной [16, 17, 20, 39, 47 и др.] можно в настоя­ щее время в угольной промышленности в 2 раза сократить протя­ женность выработок, закрепленных металлической рамной крепью,, заменив ее указанными видами облегченной крепи. Такая замена приведет к значительному прогрессу в шахтном строительстве благодаря повышению производительности труда, поскольку ука­ занные виды крепи существенно менее трудоемки. Неудовлетвори­ тельное состояние и нарушение монолитной бетонной крепи гори­ зонтальных выработок вызвано часто совершенно недопустимыми условиями контакта крепи с массивом пород. И в настоящее время по традиции для экономии расхода бетона при значительных пе­ реборах породы допускается забутовка закрепного пространства кусками породы. Сводовая же часть крепи зачастую вообще не контактирует с массивом вследствие не заполненной полости. При­ менение монолитной бетонной крепи в качестве обязательного и непременного условия требует обеспечения прочного и полного кон­ такта крепи с породными стенками, который должен быть гаранти­ рован повсеместной контрольной цементации. Второе важное тре­ бование — монолитная бетонная крепь должна быть, как правило, замкнутой, особенно на глубоких горизонтах. Применение незамк­ нутой крепи должно быть событием исключительным и дополни­ тельно обосновываться.

Об эффективности прочного контакта крепи с массивом, дости­ гаемого с помощью тампонажа закрепного пространства и обеспе­ чивающего совместную работу крепи и пород, свидетельствует

богатый и широко известный опыт строительства шахт ’в Дон­ бассе.

Применение железобетонной крепи с гибкой арматурой в шахт­ ном строительстве в подавляющем большинстве случаев не оправ­ дано. Дело в том, что наиболее опасными для крепи являются сжи­ мающие напряжения. Разрушение крепи под действием сжимаю­ щих напряжений происходит в результате образования косых пересекающихся трещин, вследствие чего крепь полностью теряет несущую способность. Гибкая арматура не препятствует разру­ шению бетона и не снижает величину действующих в бетоне сжи­ мающих напряжений.

Гибкая арматура предназначена для восприятия растягиваю­ щих напряжений. Однако растягивающие напряжения для моно­ литной бетонной крепи горных выработок в большинстве случаев не представляют опасности. Под действием растягивающих на­ пряжений в крепи возникают трещины разрыва, перпендикуляр­ ные к поверхности крепи и делящие крепь на крупные блоки. Крепь в этом случае не теряет несущей способности. Случаи дли­ тельной успешной эксплуатации крепи с трещинами разрыва до­ статочно многочисленны. Кроме того, всегда можно выбрать та­ кую форму сечения выработки, чтобы на внутренней поверхности крепи действовали только сжимающие напряжения.

Железобетонная крепь с жесткой арматурой способна воспри­ нять повышенные сжимающие напряжения, но и в этом случае должно соблюдаться условие, чтобы процент армирования был до­ статочно высоким. Если это условие не соблюдается, то жесткая арматура и бетон не составляют единого целого и работают раз­ дельно. В этом случае жесткая арматура ведет себя как инород­ ное жесткое включение в бетон и в качестве концентратора напря­ жений способствует его разрушению.

Серьезным недостатком существующей практики проектирова­ ния и расчета крепи является недостаточная изученность условий •строительства, отсутствие сведений о свойствах массива пород и их количественных характеристиках. В связи с этим представляется разумным предложение ряда специалистов (К. А. Ардашев и др.) о двухстадийном проектировании и расчете крепи, т. е. о принятии окончательного решения по креплению выработок в процессе их проходки на основе более детального изучения массива пород. Такую систему проектирования и расчета крепи можно назвать гибкой. Примером осуществления такой системы могут служить экспериментальные работы, выполняемые Московским горным ин­ ститутом, РО «Укршахтострой» и Южгипрошахтом. Система вы­ бора рациональной крепи заключается в постадийном контролируе­ мом увеличении несущей способности крепи до достижения равно­ весного состояния в системе крепь — массив.

На практике это выглядит следующим образом. На одной из шахт Ворошиловградской обл. в экспериментальной выработке была запроектирована монолитная железобетонная крепь с жест­ кой арматурой (так называемая металлобетонная крепь). Участ­

ники же работ закрепили эту выработку анкерами и установили датчики, регистрирующие смещение пород. Через определенное* время, убедившись, что анкерной крепи оказалось недостаточно, нанесли слой набрызгбетона. На этом эксперимент закончился,

предусмотрены дальнейшие меры по усилению крепи. Интересные предложения о гибкой системе принятия решений

по креплению выработок содержатся и в иностранной литературе. Рассматриваются взаимоотношения заказчиков и подрядчиков в связи с изменением условий строительства тоннелей в процессепроходки, которые не были предусмотрены контрактом. Для ис­ ключения возникающих споров рекомендуется такая последова­ тельность работ: тщательная разведка месторождений до заклю­ чения контракта, оценка условий и выбор способов проведения: выработок и видов крепи, инструментальные наблюдения за по­ ведением пород в процессе проходки, интерпретация полученных результатов и принятие окончательных решений независимыми экспертами. Рекомендуется обеспечение гибкости контракта для возможности его изменения в соответствии с решениями экспертов.

2.4.Расчет крепи

Внастоящее время расчет крепи носит проверочный характер: вначале выбирается конструкция крепи, а затем производится

расчет крепи и анализируется ее прочность. При необходимости на основании расчетов в конструкцию вносятся изменения и расчет повторяется, пока не будет достигнут желаемый результат.

При расчете крепи общепринято моделирование массива пород линейно-деформируемой средой (упругая модель). При этом про­ цесс характеризуется переходом от модели винклеровского осно­ вания к упругой среде [10]. В настоящее время можно использо­ вать более сложные, в том числе физически нелинейные модели массива. Метод конечных элементов позволяет производить такие расчеты. Однако в этой области сколько-нибудь широкое примене­ ние сложных моделей массива в проектной практике совершенно неоправданно. Наука и практика на сегодняшний день не распо­ лагают никакими данными в пользу применения при расчете крепи сложных физически нелинейных моделей массива пород. Самое большее, что можно обосновать в отдельных частных случаях — это учет ползучести пород в рамках теории линейной наследствен­ ной ползучести и учет анизотропии в рамках простейшей модели трансверсально изотропной среды.

Применение сложных реологических моделей в практике про­ ектирования и расчета крепи не обеспечено в настоящее время ни признанными и апробированными моделями такого рода, ни мето­ дикой получения характеристик, доведенной до геологоразведоч­ ной и инженерно-геологической службы. Заметим, что использо-

ванне в качестве модели линейно-деформируемой среды требует в качестве исходных данных для расчета только две характери­ стики: модуль общей деформации массива Е 0 и коэффициент Пуас­ сона роПрименение же простейшей анизотропной модели требует определения пяти независимых констант.

В пользу линейно-деформируемой среды в качестве модели мас­ сива пород в расчетной схеме крепи говорит также и то обстоя­ тельство, что в общем случае упругая модель является главной составной частью всех реологических моделей пород (исключая текучие), определяющей главную часть деформаций. Элементы же нелинейного деформирования (элемент вязкости, трения) описы­ вают лишь добавочную часть деформаций. Таким образом, при собственно расчете крепи необходимы следующие характеристики массива пород: Е — модуль общей деформации; ц — коэффициент Пуассона.

С позиций сегодняшних достижений механики подземных со­ оружений и направлений ее дальнейшего развития следует отка­ заться от непосредственного определения в натурных условиях коэффициента упругого отпора пород — величины, широко ис­ пользуемой при расчете крепи по активной нагрузке. Во-первых,

коэффициент упругого отпора не является характеристикой масхива пород, так как зависит от радиуса выработки, формы штампа и т. п. Во-вторых, в необходимых случаях можно определить этот коэффициент по известным соотношениям, зная модуль деформации пород. При расчете крепи по схеме контактного взаимодействия -с массивом в расчетные зависимости входит так называемый кор­ ректирующий множитель а*, учитывающий отставание возведения крепи от обнажения пород, а также фактическую физическую не­ линейность массива.

Существуют три способа определения величины а*. Первый спо­

крепь, если эти нагрузки нормированы и проектировщики обязаны ими пользоваться; третий — расчетный: множитель а* опреде­ ляется с использованием уравнения состояния, наиболее полно отражающего свойства данного массива (физическая нелинейность, деформирование за пределом прочности и т. п.), на основании ре­ шения одномерной задачи и анализа уравнения (или построенного на его основе графика) равновесных состояний массива, ослаблен­ ного выработкой круглого сечения (см. гл. 3.5).

При расчетном определении множителя а* в качестве исходных данных необходимы дополнительные характеристики пород: сцеп­ ление; угол внутреннего трения, модуль спада (при деформирова­ нии за пределом прочности) и др.

Кроме того, необходимо знать смещения пород и0, происходя­ щие до возведения крепи и определяемые технологической схемой проведения и крепления выработки. Существуют также эмпириче­ ские формулы для определения множителя ct*.

Для того чтобы обеспечить достоверность расчетов и требуе­ мую надежность горных выработок, необходимо механические ха­ рактеристики пород определять путем прямых испытаний и по воз­ можности в натурных условиях. Примером может служить поста­ новка инженерных изысканий в Гидропроекте им. С. Я. Жука.

Нагрузки и воздействия. Поскольку при расчете крепь выра­ ботки и окружающий массив рассматриваются как единая дефор­ мируемая система, то и нагрузка и воздействия принимаются также на всю систему в целом.

При расчете горного давления действующей нагрузкой, вызы­ вающей деформирование системы, является собственный вес пород, в также тектонические напряжения в тектонически активных райо­ нах. Отсюда требуемые исходные данные — компоненты началь­ ного поля напряжений в нетронутом массиве: уН (вес столба по­ род) и X (коэффициент бокового давления) в массиве с гравита­ ционным полем начальных напряжений или величина и направле­

При расчете на гидростатическое давление исходными данными являются статический напор подземных вод (высота водяного столба) и фильтрационные характеристики (коэффициенты филь­ трации) пород и материала крепи.

При расчете на сейсмические воздействия землетрясений в сей­ смически активных районах система крепь — массив подвергается воздействию упругих сейсмических волн продольных и поперечных. Исходными данными для расчета являются следующие:

коэффициент сейсмичности, определяемый балльностью воз­ можных землетрясений; скорости распространения обоих видов волн; период собственных колебаний частиц породы.

Механические характеристики материала крепи. При статиче­ ском расчете крепи, т. е. определении напряжений (и при необхо­ димости — перемещений), в элементах конструкции необходимы в качестве исходных данных, как и для пород, деформационные характеристики: модуль деформации; коэффициент Пуассона.

В некоторых особых случаях принимаются в расчет также рео­ логические характеристики бетона в раннем возрасте твердения.

При оценке прочности крепи необходимы прочностные характе­ ристики материалов: нормативные и расчетные сопротивления при сжатии и растяжении. Все необходимые характеристики мате­ риала крепи принимаются по соответствующим главам Строитель­ ных норм и правил.

Несколько замечаний о применении в расчетах нормированных значений механических характеристик материалов крепи. В на­ стоящее время в связи с отсутствием стандартов на шахтный бетон проектировщики и строители пользуются главой СНиП о бетонных и железобетонных конструкциях, ориентированной в первую оче­ редь на здания и сооружения, строящиеся на земной поверхности. В качестве деформационной характеристики бетона в этой главе СНиП приведены начальные модули упругости, дифференцирован­

ные по проектной марке бетона, определяемой по прочности на сжатие. Обычно значения начальных модулей упругости прини­ маются в качестве расчетных значений модуля деформации бетона при расчете крепи горных выработок [35]. При этом упускается из виду длительное действие нагрузок на крепь и рекомендация СНиП о введении понижающего коэффициента, на который делится модуль упругости бетона, учитывающий влияние длительной пол­ зучести бетона. Для тяжелого бетона при влажности окружающей среды выше 40 %, что соответствует условиям работы крепи гор­ ных выработок, этот коэффициент равен 2.

Таким образом, при расчете монолитной бетонной или железо­ бетонной крепи горных выработок расчетный модуль деформации бетона следует принимать в 2 раза меньше начального модуля упругости.

Остановимся на характеристиках прочности материалов крепи. Обычно при расчете на прочность принимается расчетное сопро­ тивление материала, регламентированное нормативными докумен­ тами. В шахтном строительстве при проходке стволов в сложных горно-геологических условиях применяют многослойные конструк­ ции крепи [11]. Материал внутренних слоев таких конструкций работает в объемном напряженном состоянии, например, бетой в кольцевом зазоре между стальными обечайками или тюбинго­ выми колоннами. Учитывая пониженную ответственность мате­ риала внутренних слоев крепи и объемное напряженное состояние материала, следует в качестве расчетных принимать значения нор­ мативных сопротивлений, а для расчета предельных величин на­ пряжений пользоваться соответствующей теорией прочности. Для бетона — это теория прочности Кулона—Мора. Следовательно*

Оценка прочности элементов крепи. Строительные нормы и пра­ вила требуют производить расчет конструкций по несущей способ­ ности (предельные состояния первой группы). Это требование под­ тверждено и главой СНиП 11-94—80 (п. 2.22). Относительно ука­ занных рекомендаций необходимо отметить следующее. При рас­ смотрении совместной работы крепи и массива пород и при расчете крепи по схеме контактного взаимодействия с массивом в настоя­ щее время устанавливается напряженно-деформированное состоя­ ние крепи только в упругой стадии ее работы. Вопросы предельных состояний и разрушения крепи пока еще не изучены.

Специфика работы подземных конструкций во взаимодействии с массивом пород такова, что при переходе в предельное состояние крепи существенно изменяются характер взаимодействия и вели­ чина напряжений на контакте крепи с массивом (нагрузки на крепь). Можно полагать, что наличие массива в большинстве случаев существенно повышает несущую способность крепи по сравнению с аналогичными конструкциями, воспринимающими за­ данную нагрузку. На подземные конструкции не распростра­