Коэффициент крепости f по шкале проф. М. М. Протодьяконова

Понятие о тоннелях. Классификация тоннелей.

Тоннель – это горизонтальное или наклонное протяжённое подземное сооружение, предназначенное для различных целей: перемещение транспортных потоков, воды, размещение коммуникаций, добыча ископаемых, расположение заводов, хранение различных веществ.

По назначению тоннели делят на пять основных групп:

1) тоннели на путях сообщения (метрополитены, железнодорожные, автодорожные, судоходные и пешеходные);

2) тоннели гидротехнические (тоннели на гидроэлектростанциях, для водоснабжения и мелиоративные);

3) тоннели городского хозяйства (подземные водостоки, водопроводные и канализационные, коллекторы и т.п.);

4) тоннели горнопромышленные (для обслуживания предприятий, добывающих полезные ископаемые);

5) специальные тоннели (гаражи, оборонные сооружения).

По месту положения:

Горные
Подводные
Равнинные

По глубине заложения:

Мелкого заложения
Глубокого заложения

По способам строительства:

Закрытые (горный, щитовой, продавливание)
Открытые (котлованный, траншейные)
Опускные (колодцы, кессоны, секции)
Специальные (водопонижение, замораживание, химическое закрепление, тампонаж)

2. История тоннелестроения.

Тоннели строятся для преодоления препятствий. Первое упоминание о тоннеле было 2150 лет до н.э. – это был пешеходный тоннель над рекой Евфрат в Вавилоне. Для сооружения тоннеля пришлось отводить русло реки в сторону. Обделка возводилась из кирпича, а гидроизоляция выполнялась из асфальта.

Первый судоходный тоннель на Лангедокском канале, длина которого около 160 м), появился начале 17 века во Франции, примерно 18680 г. Дальнейшее развитие тоннелестроения было связано с развитием железной дороги. Первый железнодорожный тоннель длиной 1190 м был построен в 1826-1830 гг. в Англии на линии Ливерпуль – Манчестер.

Открытие динамита и успешное использование бурильных машин (первая машина в 1861 г.) сделали возможным строительства больших тоннелей между Италией, Францией и Швейцарией. В середине 19 века был сооружен тоннель Мон – Сенис длиной 12 км 850 м, соединивший Францию с Италией (1857 – 1871 гг.), в 1872 – 1882 гг. – тоннель Сен – Готард длиной 14 км 984 м, соединивший Италию со Швейцарией. Самый длинный тоннель в мире – Симплонтский длиной 19 км 780 м между Италией и Швейцарией.. 1898 – 1906 гг – строительство первого тоннеля, 1918 – 1921 гг. – строительство второго тоннеля. Основным материалом для возведения обделки тоннелей была бутовая кладка на известковом и цементном растворах. После первой мировой войны построен самый длинный двухпутный железнодорожный тоннель – Большой Апеннинский тоннель (1920 – 1931 гг., длина 18 510 м). В 1927 г. был закончен Ровский судоходный тоннель длиной 7118 м. С развитием автодорожного транспорта был построен самый длинный автодорожный тоннель Сен – Готардский, сданный в эксплуатацию в 1980 г. Продолжают развиваться тоннели в Японии, был построен в 1981 г. двухпутный тоннель Дай – Симидзу длиной 22,2 км. Идет строительство подводных тоннелей. В 1985 г. завершено строительство самого длинного подводного железнодорожного тоннеля в мире «Сэйкан» протяжением около 54 км. При строительстве подводных тоннелей наряду с щитовым способом применяют способ опускных секций, которые исключают необходимость использования сжатого воздуха.

3. Строительство тоннелей в России.

В России первый железнодорожный тоннель был построен в 1862 г. (двухпутный Ковенский тоннель длиной 1280 м). В конце 19 века были построены много тоннелей в связи с освоением окраин России. Один из них – это Сурамский тоннель (1886 – 1890 гг., длина 3998 м). в начале 20 века развернулось широкое строительство тоннелей в Сибири и на Дальнем Востоке ряд двухпутных тоннелей Дальнего Востока был сооружен впервые в мире в условиях вечной мерзлоты. Значительный размах получили тоннельные работы после успешного завершения строительства первой очереди московского метрополитена, которая была сдана в эксплуатацию в 1935 г. Качественно новый период развития отечественного тоннелестроения связан со строительством БАМа. Самый значимый тоннель Северо-Муйский тоннель длиной 15,3 км. Ведется строительство ж/д тоннеля под Архотским перевалом Главного Кавказского хребта длиной 23 км – крупнейшего в Европе высокогорного тоннеля. Значительный тех. прогресс, улучшение организации производства и внедрение комплексной механизации позволили снизить трудоемкость и стоимость работ, достичь высоких скоростей строительства тоннелей.

4. Преодоление высотных препятствий при проектировании транспортных магистралей с помощью тоннелей.

Транспортные тоннели горного типа используются для преодоления трассой высотных препятствий (гор, холмов, других возвышенностей). Они позволяют пересечь препятствие по кратчайшему пути, расположить трассу дороги на прямой в плане и обеспечить благоприятные условия движения транспорта.

Тоннельные пересечения на транспортных коммуникациях должны обеспечивать: безопасный и бесперебойный пропуск транспортных средств (поездов, автомобилей и проч.) с заданными осевыми нагрузками и скоростями; требуемую пропускную способность.

Препятствия делятся на высотные и контурные. К высотным относятся горные хребты, водоразделы и другие возвышенности. При трассировании ж/д или автомобильной дороги возможны три решения: обход высотного препятствия, развитие пути с подъемом на перевал и устройством глубокой выемки, сооружение тоннеля.

При обходе препятствия удлиняется путь и происходит увеличение уклонов, которое в случае ж/д может потребовать на отдельных участках применение кратной тяги, а также вызвать ухудшение эксплуатационных показателей пути.

При развитии линии с открытым пересечением перевала ее длина получается меньшей, но потребность в больших уклонов взрастает. Возникает необходимость в защите высокорасположенных участков пути от снежных заносов, лавин и обвалов путем устройства галерей и других сооружений.

Пересечение высотного препятствия при помощи тоннеля значительно сокращает длину пути и величину уклонов, улучшаются эксплуатационные качества.

5. Преодоление контурных препятствий при проектировании транспортных магистралей с помощью тоннелей.

К контурным препятствиям относят участки оползней, осыпей, лавин и снежных заносов, водотоки и водоемы, а также участки густой застройки. Оползни и осыпи угрожают стабильности земляного полотна и безопасности движения при долинных и косогорных ходах. При оползнях малой мощности возможно расположение пути на эстакадах, опирающихся на ненарушенные грунты, в сочетании с противооползневыми мероприятиями. Однако при более мощных оползнях и наличии глубоких потоков подземных вод наиболее правильным решением задачи часто является перенос трассы в глубь горного тоннеля – за пределы оползневой зоны. Защита пути от снежных лавин и заносов требует больших эксплуатационных расходов и серьезных инженерных мероприятий вплоть до устройства на опасных участках галерей из камня, бетона или железобетона. Поэтому в ряде случаев отказываются от открытого пересечения перевала и сооружают тоннель вне зоны опасной в отношении лавин и заносов.

6. Преодоление водных преград при проектировании транспортных магистралей.

При преодолении водных препятствий необходимо сделать выбор между мостом и тоннелем. В сравнении с мостовым переходом тоннельное пересечение имеет следующие преимущества: отсутствие помех судоходству; защищенность от ветра, льда, волн; меньшая длина пересечения при высоком габарите судов и широкой пойме; удобство подходов к пересечению в густозастроенных населенных пунктах. Однако тоннельное решение имеет ряд недостатков: необходима постоянная вентиляция; работы по сооружению тоннеля производят узким фронтом при ограниченном числе забоев, вследствие чего срок сооружения больше; стоимость может быть высокая, так как необходимо выполнять большой объем земляных работ. С увеличением ширины водного препятствия стоимость 1 м моста увеличивается, а стоимость 1 м тоннеля уменьшается; с увеличением высоты моста увеличивается объемы земляных работ на подходах. В отношении безопасности проходка тоннелей специальными щитами обеспечивает полную безопасность и гарантирует их своевременное выполнение. Выбор между мостовым переходом и тоннелем делают на основе технико – экономического сравнения.

7. Определение поперечных размеров железнодорожных тоннелей. Габариты. Ниши и камеры.

Г. – это условный контур, внутрь которого не должны выступать не какие части сооружений или устройств. Высоту габарита С и его ширину поверху назначат в зависимости от конструкции подвески контактного провода. В сети с напряжение 1,5 – 25 кВ для контактной подвески с несущим тросом принимают Н=6400 мм (b= 2040 мм), без несущего тросса – Н=6250 мм (b=2240 мм).

Для однопутного ж/д на прямой:

Для однопутного жд на кривой:

Увеличивается за счёт выноса концов и середины вагона в стороны от оси пути и его наклона, вызванного возвышением наружного рельса в кривой (на кривых R<1500м – h=160мм).

Для двухпутного на кривой:

Для двухпутных тоннелей на кривой габарит приближения строений получается построением уширенных габаритов однопутных тоннелей, расстояние между осями которых увеличивают в зависимости от соотношения возвышений наружных рельсов внешнего и внутреннего путей. Значение дельтаМ определяется по СНиПу в зависимости от радиуса кривой. Для двухпутных на прямом участке междупутье равно 4100 (т.е. дельтаМ не суммируется).

Внутреннее очертание ж\д тоннеля назначают с учетом размещения светофора, светильника общего освещения, сигнальных ламп и тд. Расстояния от угловых точек габарита до обделки следует назначать с запасом на неточность выполнения строительных работ (f 3, то 5-10см; f<3, то 10-15см). Для обеспечения безопасности при ремонтных работах в ж\д тоннелях устраиваются ниши шириной 2м, глубиной 1м и высотой 2м. Ниши располагают через 60 м с каждой стороны в шахматном порядке. Для размещения ремонтного оборудования через 300 м по каждой стороне устраивают камеры шириной 4м, глубиной 2,5м и высотой 2,8м.

8. Определение поперечных размеров автодорожных тоннелей. Габариты. Ниши и камеры.

Габарит на а\д:

Размеры габарита зависят от категории дороги и длинны тоннеля. С обеих сторон проезжей части должны быть предусмотрены защитные полосы шириной 25 см и высотой 40 см для исключения возможности ударов кузовов автомобилей о стены тоннеля. С одной стороны устраивают служебный тротуар шириной 1 (включая защитную полосу) для обеспечения безопасности обслуживающего персонала во время эксплуатации тоннеля. Пропускная способность одностороннего тоннеля не превышает 1000 пешеходов в час. При большей интенсивности пешеходного движения необходимо устраивать два тротуара шириной 1 м каждый.

На этом рисунке приведен симметричный габарит.

При расположение тоннеля на кривой радиусом менее 700 м и менее проезжую часть уширяют.

Внутреннее очертание а\д тоннеля назначают с учетом размещения вент. канала.

В тоннелях длиной 300 м и более для ремонтного оборудования д\б устроены камеры шириной 2м, глубиной 2м, и высотой 2,5м. Камеры располагаются в обеих стенах тоннеля через 300 м в шахматном порядке. В тоннелях длиной до 400 м устраивают одну камеру посередине.

Форма поперечного сечения тоннеля: - ось обделки д\б иметь плавное очертание, т.к. наличие ее переломов вызывает отклонение от кривой давления от оси; - при преобладании вертикальных нагрузок свод д\б достаточно подъемистым ( ). Для этого в замковой части свода ось должна иметь большую кривизну, чем в нижней части свода; - при действии на обделку бокового давления стены должны иметь криволинейное очертание.

9. Проектирование трассы тоннелей в профиле. Смягчение руководящего уклона в тоннелях.

10. Проектирование трассы тоннелей в плане. Тоннели на кривых.

Рекомендуется располагать тоннели на прямых участках пути, т. к. тоннели, расположенные на кривых имеют следующие недостатки: - необх. уширение габарита, что влечет увеличение выработки; - усложнение разбивки оси тоннеля; - ухудшение вентиляции; - повышенный износ рельсов.

Если уклон местности превышает допустимый уклон трассирования, приходится прибегать к искусственному удлинению линии. При этом трассу прокладывают по горным склонам в виде извилистой линии с использованием особенностей рельефа. Благоприятным для развития линии является наличие боковых долин, впадающих в главную долину. Заход линии в боковую долину позволяет устроить петлю большого протяжения с набором значительной высоты. При этом возникает необходимость в сооружении тоннелей. В случае отсутствия боковых долин или их неудобства для развития линии последнее выполняют на склонах главной долины в виде комбинации петель.

Спиральный:

Применяется в случае невозможности петлевого развития (узкие долины с крутыми изрезанными склонами), обеспечивающего необходимый подъем линии внутри горного массива с поворотом ее на 360^о.

Перевальный:

Для преодоления значительных высотных препятствий развитие линии часто дополняют устройством перевального тоннеля, соединяющего склоны соседних долин. Сам тоннель устраивается на прямом участке, а входные участки на кривых.

Мысовой:

При трассировании вдоль изрезанных берегов озер и морей, возникает необходимость сооружения тоннелей при пересечении мысов.

Rmin (для ж\д):

V>120км\ч – 2000м; V<120км\ч – 1600м; для коротких спиральных, мысовых, петлевых -350м.

В продольном профиле тоннели устраиваются:

- односкатные:

«+»: - возможность быстрого удаления воды; - естественное проветривание.

«-»: - поступление воды в забой при проходке с верхнего портала.

Применяется для малых петлевых и спиральных тоннелях.

- двускатные:

В двускатных таких недостатков нет, за исключением подводных тоннелей, однако естественная вентиляция затруднена.

По условиям водоотвода уклон в тоннели должен быть не менее 3 промилий. Горизонтальные разделительные площадки, уменьшающие разность сопрягаемых уклонов могут иметь длину 200-400м. Более целесообразно замена разделительной площадки двумя участками, имеющими встречные уклоны 3 промилии.

Макс. уклон, допустимый в тоннеле меньше чем на открытом участке, т.е. в тоннеле необх. смягчение уклона. Причина – снижение в тоннели коэфф. сцепления между рельсами и колесами состава.

Максимальный допускаемый уклон в тоннеле:

- руководящий уклон на открытом участке.

- уклон, эквивалентный сопротивлению на кривой.

m – коэфф. смягчения.

Смягчение уклона д\б произведено не только в самом тоннели, но и на подходе к нему со стороны подъема.

Ж\д тоннели с L<400м – односкатные; если более 400м, то возможны и односкатные и двускатные в зависимости от условий.

В сложных климатических условиях тоннели делаются односкатными с i=6 промилий, для быстрого удаления воды.

Выбор высоты расположения тоннеля. На выбор влияет топография местности, в первую очередь характер склонов пересекаемого горного массива. При выбранной высоте пересечения длина тоннеля определяется местами расположения порталов. Из опыта проектирования: - в глинистых грунтах (f=0,6-0,8) глубина предпортальной выемки не должна превосходить 10-15м; - в скальных (f>3) -15-25м.

Минимальную глубину предпортальной выемки назначают так, чтобы над обделкой оставался слой грунта в 2-3м.

11. Материалы тоннельных обделок. Основные требования к ним.

Материалы должны отвечать:

- прочности;- огнестойкости;- долговечности;- устойчивы к химически агрессивным и атмосферным воздействиям, микроорганизмам;- возможность максимальной механизации работ при их применении.

Основные материалы тоннельных обделок

- монолитный бетон;- набрызгбетон;- монолитный жб;- сборный жб;- фибробетон;- чугунные, стальные тюбинги;- полимербетон;- плазмбетон;- смесь армополимербетон.

Класс бетона по прочности на сжатие следует принимать не ниже:

В30 — для сборных железобетонных обделок;

В25 — для железобетонных монолитных обделок и опускных секций подводных тоннелей;

В 15 — для бетонных монолитных и набрызг-бетонных обделок, порталов, оголовков, внутренних монолитных железобетонных конструкций. Толщину бетонных обделок назначают не менее 20 см.

Достоинства монолитного бетона:

1. бесшовность;2. возможность механизации транспортировки и укладки бетона;3. использование местных материалов;4. простота изготовления бетонной смеси.

Недостатки монолитного бетона:

1. выдержка в опалубке;2. малая химическая стойкость;3. низкая прочность при растяжении.

Достоинства набрызг бетона:

1. Опалубка не нужна; 2. Нагнетание не нужно.

Недостатки небрызг бетона:

1. Отскок; 2. Пыление.

Применение монолитного бетона целесообразно в мягких и слабых грунтах, требующих возведения обделки по частям, а также в скальных грунтах, разрабатываемых взрывным способом. Перспективным материалом для устройства обделок в монолитных и слаботрещиноватых, но выветривающихся грунтах является набрызгбетон, наносимый пневматическими машинами непосредственно на поверхность выработки.

12. Инженерно-геологические изыскания при проектировании тоннелей.

Основная цель инж.-геологич. изысканий: предусмотреть все возможные сложности, которые могут возникнуть при строительстве, эксплуатации тоннеля и рекомендации наиб. благоприятного в геологич. понятии положения трассы.

В программу инженерно – геологического обследования входят работы:

- изучение литературных и картографических материалов по топографии, геологии и гидрогеологии района;

- инженерно – геологическая съемка территории строительств;

- назначение вариантов трассы тоннеля для детальных геолого – разведочных работ;

- детальные глубинные геолого – разведочные работы и гидрогеологические исследования с лабораорным изучением физико – механических свойств грунтов и химического состава подземных вод.

При изысканиях необходимо:

- получить данные о составе грунтов и их залегание.

- сведения о составе подземных вод и газов.

- сведения о физико-механич. процессах в массиве.

Наиболее эффективным методом является ударно – вращательное бурение скважин с отбором образцов не реже чем через 1 м в песчаных, крупнообломочных и глинистых грунтах и колонковое бурение со сплошным отбором керна в полускальных и скальных грунтах. Глубину скважин назначают на 6 м больше глубины заложения подошвы тоннеля. Количество и расположение скважин принимают в соответствии с инструкцией по инж-геол. изысканиям. Не менее 1/3 общего числа скважин оборудуют фильтрами. Из них производят пробные откачки с целью определения химического состава, температуры и колебаний уровня подземных вод. Полученные материалы дают представление о строении горного массива.

Особенно ценные данные можно получить при испытаниях в выработках. В штольнях измеряют горное давление, определяют механические и упругие характеристики грунтов, приток подземных вод, температуру выработки и уточняют другие данные.

При значительной глубине заложения тоннеля приходится прибегать к геофизическим методам разведки, дающим представление о строении горного массива косвенным путем в результате измерения различных физ. величин. Например, применение сейсмометрии основано на измерении скорости распространения ударных волн в горном массиве. При этом учитывается зависимость скорости распространения ударных волн от физико – механических свойств различных грунтов.

13. Подземные воды. Их виды и характеристика.

Для проведения гидроизоляционных работ важно хотя бы приблизительно знать условия залегания подземных вод и различать их виды. Подземными принято называть все воды, находящиеся ниже земной поверхности.
В зависимости от рода образования и характера движения различают следующие виды вод:
– верховодку;
– грунтовые (со свободной поверхностью и межпластовые);
– грунтовые безнапорные;
– жиловые;
– артезианские (напорные);
– ключи (нисходящие и восходящие).

Верховодкой называются воды, образующиеся от таяния снега или длительных дождей, которые задерживаются на водоупорных породах (глинах, суглинках). При отсутствии дождя и снега запасы такой воды быстро иссякают.
       Грунтовые воды образуются фильтрующимися через почву атмосферными осадками, водами других водоносных горизонтов и фильтрацией речных и озерных вод. В отличие от верховодки они имеют постоянное питание. Грунтовые воды могут быть со свободной поверхностью и межпластовыми.
       Безнапорные грунтовые воды, будучи вскрыты при бурении скважины или откопке котлована, устанавливаются на том уровне, на котором они находились в момент вскрытия водоносного пласта. При наклонном положении водоупорного ложа (пласта) возможно движение грунтовых вод, иногда выход их на поверхность в виде источников.
       Жиловая вода, образующаяся вследствие сложности отдельных напластований, встречается в глинах и суглинках с прослойками песка, обладающего фильтрационными свойствами. Жиловая вода, собирающаяся в отдельные бассейны и подземные озера, проникает в грунт через водопроницаемые прослойки.
       Артезианские воды являются водами напорными, которые, как правило, циркулируют в водоносной породе, заключенной между двумя водоупорными пластами. Артезианские воды дают питьевую воду самого высокого качества, так как они закрыты сверху водонепроницаемыми пластами и не подвержены загрязнению с поверхности.
       Ключи. При наклонном положении водоносного пласта возможно движение грунтовых вод, иногда выходящих на поверхность в виде источников — родников или ключей.
       Для получения сведений о глубине залегания подземных вод можно использовать опрос местных жителей о нахождении подземных вод и родников, разведочное бурение, откапывать шурфы или обследовать шахтные колодцы (в том числе заброшенные).

14. Подземные газы. Их виды и характеристика.

В атмосфере выработки подземные газы представляют опасность для здоровья работающих.

Углекислый газ неядовит, но при повышенном его содержании уменьшается количество кислорода. Поэтому не должен занимать более 0,5% объема выработки. Появление углекислого газа следует ожидать в вулканических районах, вблизи угольных залежей, при наличии сбросовх трещин.

В районе залегания угля, каменной соли, вблизи месторождения нефти следует ожидать поступления в выработку метана. Метан почти в два раза легче воздуха и скапливается в верхней части выработки. Он не имеет цвета и запаха и представляет серьезную опасность, так как при концентрации от 5,5 до 14 – 16% образует гремучую смесь.

Содержание в воздухе метана устанавливается автоматическими анализаторами. При концентрации метана более 1% выработку переводят на газовый режим со значительным увеличением объема вентиляции и принятием мер против искрообразования.

15. Защита тоннелей от подземных вод. Поверхностный водоотвод. Дренирование подземных вод. Осушение массива.

Осушение горного массива достигают с помощью поверхностного водоотвода, дренажных устройств и противофильтрационных завес.

Поверхностный водоотвод предназначен для быстрого удаления поверхностных вод из надтоннельной полосы и предотвращения их просачивания в глубь горного массива. Для этого планируют надтоннельную полосу с устройством нагорных канав (уклон 3-4%), перехватывающих и отводящих атмосферные осадки. В водопроницаемых грунтах дно и откосы канав покрывают водонепроницаемым бетоном, глиной. Растительноть содействует задержанию вод на склонах горы, поэтому в надтоннельной полосе целесообразно ее удаление.

Дренаж вызывает непрерывный поток подземных вод через окружающие обделку грунты и может быть рекомендован, если не приведет к их ослаблению. Условием применения дренажа является невымываемость, невыщелачиваемость и нерастворимость скальных или полускальных грунтов – наличие достаточно высокого коэффициента фильтрации (не менее 5 м/сут). В случае явно выраженного потока подземных вод к тоннелю, расположенному в грунтах с коэффициентом фильтрации более 2 м/сут, целесообразны дренажные штольни с верховой стороны потока, заглубляемые в водоупорный слой не более чем на одну треть высоты штольни h. Штольню обычно устраивают с фильтрующей крепью из камня или бетонных блоков, обеспечивающей ее бесперебойную и длительную эксплуатацию. В дне штольни устраивают лоток для самотечного отвода воды (если надо утепляют). Дренажные штольни следует закладывать на достаточном расстоянии от тоннеля, чтобы исключить возможность проникновения к ним цементного раствора.

Тоннель может быть использован в качестве дренажной выработки, когда в массиве из крепких невымываемых скальных грунтов имеется сосредоточенный приток подземных вод при большом гидростатическом давлении. Организованный допуск подземных вод в тоннель обеспечивается путем устройства каптажа за обделкой и отвода воды по водоотводному лотку.

16. Защита тоннелей от подземных вод. Внутритоннельный водоотвод. Гидроизоляция и герметизация обделок.

Герметизация тоннеля способствуют следующие факторы: увеличение лотности и водонепроницаемости обделки путем подбора состава бетона по плотности и применения специальных добавок; нагнетание за обделку цементных растворов, особенно с повышающими их водонепроницаемость добавками; устройство гидроизоляции обделки

Гидроизоляция как наиболее надежная мера должна обеспечивать долговечность, высококачественного выполнения и экономичность. Гидроизоляцию создают по наружному или внутреннему контуру обделки. В первом случае давление воды прижимает гидроизоляцию к обделке, которая воспринимает суммарное горное и гидростатическое давление. Наружную гидроизоляцию выполняют в выработке, раскрытой в устойчивых скальных грунтах, по выравнивающему слою набрызгбетона. Во втором случае гидроизоляцию устраивают по внутренней поверхности бетонной обделки. Она подвергается гидростатическому давлению, фильтрующейся через бетон. Наиболее распространение имеют жесткая и гибкая гидроизоляция. Жесткая представляет собой водонепроницаемую цементную штукатурку (торкрет) толщиной до 40 мм, наносимую на обделку пневматическим способом. Торкрет используется в гидротехнических тоннелях, в которых он прижимается водой к поверхности обделки, или в тоннелях с малыми колебаниями температуры внутри.

При большом напоре воды применяют оклеечную гидроизоляцию из двух – четырех слоев рулонного материала, наклеиваемого на битумной мастике или оплавлением пламенем горелок.

При строительстве ж/д тоннелей наиболее целесообразно использовать торкретирования внутренней поверхности обделки с мероприятиями по ее уплотнению и нагнетанию за обделку цементного раствора с добавками. При необходимости можно использовать оклеечную гидроизоляцию.

17. Учет сейсмики и температуры подземных выработок.

По мере заглубления подземной выработки температура в ней возрастает. Это сильно отражается на производительности труда рабочих. В сухой выработке возможна работа при температуре до 45—50° С, во влажной — при температуре не выше 40° С, но при условии усиленной вентиляции. Для своевременной разработки мероприятий по охлаждению выработки и обеспечению нормальных условий труда рабочих необходим прогноз возможной температуры на глубине заложения тоннеля. Ниже уровня постоянной температуры происходит равномерное нарастание температуры по мере заглубления. Глубина, соответствующая повышению температуры на 1° С, носит название геотермической ступени. Под равнинами она равна приблизительно 33 м и называется нормальной геотермической ступенью, под долинами геотермическая ступень уменьшается от 33 до 20 м, под горными хребтами возрастает от 33 до 70 м.

На величину геотермической ступени влияют многочисленные факторы. К таким факторам относятся крутое падение пластов, плотность и влажность пород, увеличивающие их теплопроводность, нисходящие источники воды, имеющей пониженную температуру, водоемы и ледники вблизи выработки. Восходящие источники воды, химические процессы, вулканические явления, вызывающие нагревание горного массива, способствуют уменьшению геометрической ступени. Ниже глубины, на которой влияние рельефа местности перестает сказываться, расстояние между геоизотермами, т.е. линиями соединяющими точки массива с одинаковой температурой, равно нормальной геотермической ступени, т.е. 33 м, так же как под равнинами.

18. Определение горного давления в лабораторных условиях. Метод центробежного моделирования.

При моделировании процессов горного давления условием полного подобия между натурой и моделью, выполненной в масштабе 1/n, является сохранение существующего в натуре соотношения между силами тяжести и прочностью породы.

Учитывая, что величина силы тяжести зависит от линейных размеров в третьей степени, а прочность породы во второй степени, и обозначая через L(l); γ_н (γ_м) и R_н (R_м) соответственно линейный размер, объемный вес и прочностную характеристику породы в натуре (и на модели), получим критерий подобия

При выполнении модели из натурного материала (R_м = R_н) для сохранения подобия необходимо увеличение его объемного веса в nраз, т.е.

Для этого часто используют центробежное ускорение, возникающее при вращении модели в центрифуге. Модель помещают в каретку, подвешенную к концу горизонтального рычага, который вращается вокруг вертикальной оси, проходящей через его середину. При этом на каждую точку модели действует геометрическая сумма ускорений силы тяжести g и центробежного ω²r:

где r — расстояние от точки закрепления модели до оси вращения;

ω — угловая скорость вращения, назначаемая в соответствии с масштабом — моделирования. Суммарное ускорение должно быть равно а = ng, поэтому

К недостаткам способа центробежного моделирования относятся: небольшие масштабы моделирования, связанные с размерами центробежных машин; трудность выполнения измерений на вращающейся модели и различие суммарных ускорений в разных ее точках, находящихся на различных расстояниях от оси вращения.

19. Физические методы моделирования. Метод эквивалентных материалов. Оптический метод.

Другим направлением, которое может быть использовано для моделирования горного давления, является метод эквивалентных материалов, предложенный Г.Н. Кузнецовым.

Сущность этого метода заключается в подборе для модели эквивалентного материала, основные характеристики которого, имеющие размерность напряжения (прочность на сжатие и растяжение, модуль деформации, сцепление), удовлетворяют критерию подобия

Где n = L/l.

Безразмерные характеристики материалов в системах, удовлетворяющих критерию подобия, должны быть одинаковы. Поэтому, например, угол внутреннего трения φ_м = φ_н. В качестве эквивалентных материалов применяют сухой мелкозернистый песок или смеси технического вазелина, играющего роль вяжущего, с различными добавками (кварцевый песок, молотые слюда и глины и т.п.). Эти смеси укладывают в модель в подогретом состоянии с тщательной укаткой тонких слоев.

При соблюдении приведенных условий деформации Δ_н пород в натуре определяют через деформации Δ_м модели по формуле

Δ_н = nΔ_м.

К преимуществам метода эквивалентных материалов по сравнению с центробежным моделированием относятся: возможность моделирования в крупных масштабах с обеспечением высокой точности измерений; благоприятные условия для изучения на модели последовательного развития процесса горного давления, тогда как при центрифугировании обычно фиксируются лишь конечные результаты; обеспечение при правильном подборе материалов полного подобия механических процессов в модели и натуре, в то время как при центробежном моделировании необходимо сохранение натурных характеристик породы в ненарушенном состоянии, что трудно осуществить.

Оптический метод:
Оптический метод основан на способности оптически изотропных материалов приобретать в напряженном состоянии свойства двойного лучепреломления. Пропускаемый через напряженную однородную прозрачную пластинку линейно поляризованный луч света раскладывается на два линейно поляризованных луча, колебания которых происходят по направлениям, совпадающим с направлениями главных напряжений. Если величины главных напряжений ох и а2 не равны, то скорость распространения колебаний по этим направлениям будет различна и лучи при прохождении пластинки приобретут некоторую оптическую разность хода б, пропорциональную разности главных напряжений ох — а2 и толщине пластинки d. На напряженной пластинке, помещенной в поляризационной установке, появляются полосы, окрашенные в различные цвета спектра — изохромы, представляющие собой геометрические места равных разностей главных напряжений — а2, или максимальных касательных напряжений тмакс. Определенному цвету изохромы отвечает соответствующее тмакс; величина последнего может быть установлена с помощью соответствующего эталона. При освещении модели монохроматическим светом на ней получаются чередующиеся белые и черные полосы. Величина напряжения определяется в этом случае порядковым номером изохромы и ценою одного номера, которая устанавливается по известной для какой-либо изохромы разности главных напряжений.

20. Естественная вентиляция горных транспортных тоннелей.

Для обеспечения нормальных условий труда необходима постоянная подача свежего наружного воздуха, уменьшающая влажность воздуха, снижающая концентрацию вредных примесей до допустимых пределов и поддерживающая температуру.

Вентиляция бывает:

- естественная (ветровой напор, барометрический напор, поршневой эффект от состава, температурный напор);

Ветровой напор возникает при расположение тоннеля под малым углом к направлению ветра.

Барометрический напор возникает в длинных перевальных тоннелях, пересекающих высокие хребты.

Температурный напор возникает при наличии разности высот порталов тоннеля и температур наружного и тоннельного воздуха.

- искусственная с мех. побуждением (продольная, поперечная, полупоперечная);

Выбор вентиляции зависит от длины тоннеля, рода применяемой тяги и транспортных средств. Естественное проветривание допускается в железнодорожных тоннелях длиной до 300 м при тепловозной тяге и до 1000 м при электрической тяге, а также в автодорожных тоннелях длиной до 150 м.

Естественная вентиляция зависит от факторов, которые не являются достаточно устойчивыми и могут действовать с различными знаками, нейтрализуя друг друга. Наиболее надежным является тепловой напор, но и он изменяется в связи с сезонными колебаниями разности температур наружного и тоннельного воздуха. Поэтому в течение года неизбежны периоды, когда естественная тяга воздуха недостаточна и может требоваться применение искусственной вентиляции. Особое значение для естественного проветривания имеет влияние поршневого эффекта проходящих через тоннель транспортных единиц. В благоприятных условиях поршневой эффект может создать достаточную для проветривания тоннеля скорость воздушного потока, а в неблагоприятных условиях — уравновесить естественную тягу или изменить направление движения воздуха на обратное.

В железнодорожных тоннелях поршневой эффект особенно заметен, так как поезд занимает большую часть сечения однопутного тоннеля и имеет длину, соизмеримую с длиной тоннеля. При движении поезда в тоннеле создается избыточное давление воздуха перед локомотивом и разрежение за последним вагоном. Эти факторы способствуют преодолению сопротивления тоннеля как воздуховода и создают напор, обеспечивающий перемещение воздуха в тоннеле.

21. Искусственная вентиляция тоннелей. Схемы вентиляции, их характеристики, условия применения.

Продольная вентиляция.

Воздуховодом служит тоннель, вдоль которого перемещается воздух.

Существует следующие схемы продольной вентиляции:

- схема с вентиляционными шахтами;

Для вент. шахт чаще всего используют стволы строительных шахт, заложенных с целью открытия доп. Забоев и ускорения строительства. Скорость движения воздуха по тоннелю не должна превышать 6м\с. Скорость движения воздуха в стволе не более 12 м\с. При наличии нескольких шахтных стволов следует чередовать стволы с притоком и вытяжкой воздуха, располагая их так, чтобы примыкающие к шахте участки тоннеля имели по возможности одинаковые сопротивления

- схема с портальной установкой и закрытием выхода из тоннеля;

Т.к. в некоторых случаях расположение шахт невозможно или очень дорого, то применяют вент. установки, размещаемые у порталов. Вентиляция тоннеля осуществляется следующим образом. При входе поезда в тоннель закрывается занавес у противоположного портала и воздух нагнетается навстречу поезду. При этом воздух в тоннеле приводится в движение и вредные газы удаляются через входной портал. Эффективность проветривания усиливается, если за поездом, вошедшим в тоннель, опускается занавес и вентиляционная установка входного портала начинает работать на вытяжку. Реверсивность установок позволяет изменять направление движения воздуха.

- схема с портальной установкой и открытыми входами (система Саккардо);

При интенсивном движении, требующем постоянно открытых входов, у порталов устраивают вентиляционные установки, вдувающие воздух в тоннель с большой скоростью через охватывающую сечение тоннеля узкую щель, расположенную под острым углом к его оси. При этом воздух в тоннеле приводится в движение за счет скоростного напора и одновременно через ближайший портал подсасывается свежий воздух.

«-» всех продольных систем:

- большая скорость воздуха в тоннеле; - неравномерность концентрации вредных газов по длине тоннеля; - зависимость от направления движения транспорта.

Поэтому в основном применяется в ж\д, в а\д очень редко. В а\д (L<=1км) продольная система может быть предложена в качестве струйной:

Под сводом или нишах устраивают размещают осевые вентиляторы. Расстояние м\у группами вентиляторов по длине тоннеля: (12-13)D, где D=4F\P – гидравлический диаметр сечения тоннеля площадью F, имеющего периметр Р.

«+»: - экономичность; - меньшее поперечное сечение; - автоматическая система включения с анализаторами; - уменьшаются эксплуатационные расходы.

«-»: - шум.

Поперечная вентиляция.

При поперечной вентиляции в сечении размещаются два канала - соответственно для подачи свежего и удаления загрязненного воздуха.

В тоннелях кругового очертания вентиляционные каналы располагают вверху и внизу сечения. В тоннелях подковообразного очертания более целесообразно размещать оба канала над проезжей частью.

Воздух выпускается в тоннель через вытянутые вдоль его оси щели, расположенные несколько выше уровня проезжей части. Для вытяжки служат поперечные узкие (шириной 12—16 см) отверстия в подвесном потолке, расположенные через каждые 5—10 м по длине тоннеля и имеющие заслонки для регулирования ширины открытия. Сечение каналов назначают в зависимости от скорости движения воздуха, доходящей до 15—20 м/с.

Для усиления равномерности выпуска воздуха регулируют размеры отверстий и число их по длине каналов и ограничивают длину каналов 600—800 м.

«+»: - быстрое удаление вредных газов из сечения тоннеля; - поступление свежего воздуха по всей длине тоннеля; - отсутствие движения воздуха в тоннеле с большими скоростями; - независимость вентиляции от силы естественной тяги и движения подвижного состава.

«-»: - высокая стоимость.

Применяют в а\д с большой интенсивностью движения.

Скорость движения воздуха по тоннелю не должна превышать 6м\с. Скорость движения воздуха по каналу не должна превышать 20м\с.

Полупоперечная вентиляция.

Представляет собой комбинированное решение. Свежий воздух подается по вентиляционному каналу, параллельному оси тоннеля, а загрязненный воздух удаляется по тоннелю, служащему воздуховодом. Вентиляционный канал размещают в верхней части тоннелей и под проезжей частью тоннелей кругового очертания.

«-»: - большая скорость воздуха в тоннеле; - неравномерность концентрации окиси углерода.

22. Вентиляция автодорожных тоннелей.

В а\д (L<=1км) продольная система может быть предложена в качестве струйной:

«-»: - шум.

Поперечная вентиляция.

«-»: - высокая стоимость.

Применяют в а\д с большой интенсивностью движения.

Полупоперечная вентиляция.

«-»: - большая скорость воздуха в тоннеле; - неравномерность концентрации окиси углерода.

23. Вентиляция железнодорожных тоннелей.

Продольная вентиляция.

Воздуховодом служит тоннель, вдоль которого перемещается воздух.

Существует следующие схемы продольной вентиляции:

- схема с вентиляционными шахтами;

- схема с портальной установкой и закрытием выхода из тоннеля;

- схема с портальной установкой и открытыми входами (система Саккардо);

«-» всех продольных систем:

Поэтому в основном применяется в ж\д, в а\д очень редко.

24. Требования к внутреннему очертанию тоннельных обделок. Конструкция обделок.

При назначении внутреннего очертания тоннельной обделки, кроме габаритных требований, должны быть учтены также эксплуатационные, строительные и экономические соображения.

Необходимо соблюдать следующие основные правила.

1. Ось обделки должна иметь плавное очертание, так как наличие ее переломов вызывает отклонение кривой давления от оси.

2. При преобладании вертикальных нагрузок свод должен быть достаточно подъемистым, приближающимся по форме к квадратной параболе. Для этого в замковой части свода ось должна иметь кривизну, большую, чем в нижней части свода, примыкающей к стенам.

3. При действии на обделку бокового горного давления стены должны иметь криволинейное очертание, выпуклое в сторону породы.

Конструкция выбирается в зависимости от характера грунтов (крепость, трещиноватость, водоносность). В крепких, но выветривающихся скальных грунтах (f=>10) горное давление отсутствует. Поэтому тоннельная обделка является облицовочной. Она выполняется из набрызг бетона толщиной 10-15см или монолитный бетон толщиной 20см.

В монолитных скальных грунтах, оказывающих только вертикальное давление (f=6 (для 1 ж\д)-8 (2 ж\д или а\д)) тоннельная обделка может быть выполнена в виде свода, опирающегося на уступы грунта, которые задают с запасом 15-20см, чтобы исключить возможность ослабления опор свода.

В трещиноватых скальных породах меньшей крепости (f < 6) кровлю и стены выработки необходимо закреплять несущей обделкой. При отсутствии бокового горного давления и гидростатического давления подземных вод можно применять вертикальные стены, более удобные при производстве работ и требующие меньшего расхода бетона. В породах, оказывающих боковое горное давление или воспринимающих давление воды, применяют, как правило, обделки с криволинейными стенами.

Обычно трение в подошве стен оказывается достаточным для предотвращения сдвига стен внутрь выработки. Тогда при отсутствии давления породы или воды снизу конструкцию обделки принимают состоящей из стен и верхнего свода. Для исключения возможности сдвига стен или восприятия давления со стороны подошвы выработки (выпирание неустойчивых пород из-под стен, гидростатическое давление) устраивают обратный свод.

25. Порталы. Конструкция порталов. Выбор расположения.

Переход от тоннеля к предпортальной выемке осуществляется при помощи портала для обеспечения устойчивости лобового и боковых откосов выемки, отвода воды с лобового откоса и архитектурного оформления входа в тоннель. Порталы тоннелей устраивают в зависимости от состояния грунтов на склонах горного массива и подходов к тоннелю врезными (а) или наклонными (б) с торцовой подпорной стеной 1 либо выносными с искусственной засыпкой 2 для уположения лобового откоса в случае неустойчивых склонов.

Кроме торцовой стены, в состав портала входят водоотводная канава и первое кольцо обделки. Для устройства портала выполняют срезку и укрепление лобового откоса.

Торцовая стена связывается с первым кольцом обделки с помощью арматуры или отрезков прокатных профилей. Подошвы торцовой и боковых портальных стен заглубляют относительно низа кюветов в соответствии с глубиной промерзания в их основании.

Наибольшей опасности повреждения от сейсмических воздействий подвергаются входные участки тоннеля, выполняемые поэтому из железобетона. Откосы и дно канав защищают от разрыва и просачивания воды мощением или бетонным покрытием. Дно канавы располагают не ниже чем на расстоянии 1,5 м от верха тоннельной обделки для обеспечения слоя породы, достаточного для амортизации возможных ударов камней, скатывающихся с лобового откоса. Ввиду возможности падения камней с лобового откоса и для предотвращения попадания их на пути или проезжую часть дороги расстояние от низа лобового откоса до портальной стены принимают не менее 1,5 м, а парапет стены — не менее чем на 1 м выше верха канавы.

Слева для грунтов с f=1-1,5. Справа для грунтов с f=>2.

26. Классификация грунтов по М.М.Протодьяконову. Характеристики грунтов.

Коэффициент крепости f по шкале проф. М. М. Протодьяконова

Категория	Степень крепости	Порода	f
I	В высшей степени крепкие породы	Наиболее крепкие, плотные и вязкие кварциты и базальты. Исключительные по крепости другие породы.	20
II	Очень крепкие породы	Очень крепкие гранитовые породы: кварцевый порфир, очень крепкий гранит, кремнистый сланец, менее крепкие, нежели указанные выше кварциты. Самые крепкие песчаники и известняки.	15
III	Крепкие породы	Гранит (плотный) и гранитовые породы. Очень крепкие песчаники и известняки. Кварцевые рудные жилы. Крепкий конгломерат. Очень крепкие железные руды.	10
IIІа	То же	Известняки (крепкие). Некрепкий гранит. Крепкие песчаники. Крепкий мрамор, доломит. Колчеданы. Обыкновенный песчаник.	8
IV	Довольно крепкие породы	Железные руды. Песчанистые сланцы.	6
IV	То же	Сланцевые песчаники	5
V	Средние породы	Крепкий глинистый сланец. Некрепкий глинистый сланец и известняк, мягкий конгломерат	4
		Разнообразные сланцы(некрепкие). Плотный мергель	3
VI	Довольно мягкие породы	Мягкий сланец, очень мягкий известняк, мел, каменная соль, гипс. Мерзлый грунт: антрацит. Обыкновенный мергель. Разрушенный песчаник, сцементированная галька и хрящ, каменистый грунт	2
VIa	То же	Крепкий каменный уголь	1,5
VII	Мягкие породы	Глина (плотная). Мягкий каменный уголь, крепкий наносо-глинистый грунт	1

27. Горное давление. Гипотеза полного веса столба грунта.

В Швейцарии профессором Геймом была выдвинута гипотеза полного веса в 1905 г. Согласно этой гипотезе породы на большой глубине находятся в состоянии скрытой пластичности и при пробивке туннеля начинают течь, развивая гидростатическое давление, равное полному весу столба породы над выработкой. Эта гипотеза не может быть принята, так как факт благополучного существования туннелей на больших глубинах является полным ее опровержением.

28. Прогноз устойчивости выработки по условию вывалообразования. Гипотеза М.М.Протодьяконова. Коэффициент крепости грунтов.

После раскрытия выработки частицы грунта или отдельные блоки под действием собственного веса получают возможность сдвигаться в образовавшуюся полость. Сдвижению препятствуют удерживающие силы, связывающие эти частицы или блоки с основным массивом грунта. Если суммарное действие всех удерживающих сил S _i (силы трения, сцепления, распор и взаимное зацепление и т.п.) не в состоянии предотвратить сдвижение блоков под действием собственного веса G, возможно обрушение определенной части грунта в выработку. В зависимости от свойств грунтового массива вывалообразование проявляется либо в виде отдельных незначительных по объему вывалов, локализованных по периметру выработки (преимущественно в кровле), либо в виде сплошного вывала, размеры которого соизмеримы с пролетом выработки. В последнем случае границы вывала охватывают не только кровлю, но и бока выработки и тогда говорят, что потеря устойчивости выработки происходит в виде свода обрушения. Механизм потери устойчивости выработки в форме вывалообразования исключает напряжения в грунтовом массиве как первопричину обрушения грунта, поэтому правомерность гипотезы вывалообразования ограничена заложением выработки на относительно небольших глубинах в грунтах со слабыми структурными связями между частицами или блоками, а также в случае большого промежутка времени между проходкой выработки и возведением обделки.

При этом, объем и конфигурация вывалов определяется на основе гипотезы сводообразования М.М. Протодьяконова. Исходной концепцией является предположение о том, что по мере обрушения частиц или блоков грунта в выработку постепенно изменяется ее очертание: бока выработки сползают, а в кровле образуется свод естественного равновесия параболического очертания (рис.4.5).

В соответствии с принятой моделью объем вывала (размеры свода и сползающих призм) зависят только от сдвиговых характеристик грунта. Эти характеристики представлены обобщающим показателем прочности - коэффициентом крепости. Для нескальных грунтов f = tg (см. (3.8)). Здесь - кажущийся угол внутреннего трения, т.е. определяется с учетом сцепления между частицами

Величину пролета L в условиях сводообразования определяют по формуле (рис. 4.5):

Условие применимости гипотезы сводообразования Н ³ 2 h _в , где Н - глубина заложения выработки, либо расстояние до более слабого неустойчивого слоя.

Если глубина заложения тоннеля Н менее двойной высоты свода обрушения (Н < 2 h _в), либо толща устойчивых грунтов над тоннелем h < 2 h _в, а выше залегают грунты, не обладающие способностью к сводообразованию, а также при расположении тоннеля в слабых глинистых грунтах, в песках, илах и плывунах, переходящих в условиях эксплуатации в разжиженное состояние, то вывал может распространиться до поверхности земли: h _в.= Н.

Во всех этих случаях объем вывала зависит от размеров выработки (В, h), размеров вывала (L, h _в), структурной нарушенности и свойств грунтового массива (С, f, j , s _с , h , К₀).

В практике проектирования в Советском Союзе распространена теория проф. М.М. Протодьяконова, предложенная им для широкого диапазона пород — от слабых до крепких скальных. В качестве объединяющей их характеристики в этой теории принят коэффициент f крепости, являющийся кажущимся коэффициентом трения, т.е. тангенсом угла внутреннего трения, определенного с учетом сцепления с между частицами породы. Кажущийся коэффициент трения равен отношению касательного τ и нормального σ напряжений на контакте между частицами породы в момент предельного равновесия, т.е.

где φ — действительный угол внутреннего трения породы.

Из рассмотрения общего выражения для f (для связных пород) можно сделать вывод, что в сыпучих породах (с = 0) он равен tgφ.

В скальных породах истинное сцепление с определяется силами молекулярного сцепления. В этом случае проф. М.М. Протодьяконов рекомендует определять коэффициент крепости породы в зависимости от ее кубиковой прочности R (кгс/см²) на раздробление:

На основании наблюдений за поведением крепей и обобщения обширного опыта проведения горных выработок проф. М.М. Протодьяконовым предложена классификация пород по крепости.

29. Основные гипотезы горного давления.

· Гипотеза полного веса столба

· Гипотеза сводообрушения

Исходной концепцией является предположение о том, что по мере обрушения частиц или блоков грунта в выработку постепенно изменяется ее очертание: бока выработки сползают, а в кровле образуется свод естественного равновесия параболического очертания (рис.4.5).

Величину пролета L в условиях сводообразования определяют по формуле (рис. 4.5):

· Гипотеза тонких плит или балок

Предполагается, что процесс сдвижения горных пород протекает в виде последовательного изгиба слоев с проскальзыванием по контактам напластования. Однако при этом рассматривается массив надвыработкой в пределах свободного пролета ее без учета зоны опорного давления. Расчеты сводятся к решению частных задач, связанных с определением шага посадки основной кровли, вероятности нарушения сплошности на контуре выработки, требуемой несущей способности крепи. В них неучитывается влияние мощности пласта, способа управления кровлей, особенностей распределения нормальных нагрузок на слои пород в зависимости от строения надугольной толщи, наличие подвижек слоев относительно друг друга, скорости подвигания забоя и т.п.

30. Натурные методы определения горного давления.

1) Стабильность получения результатов;

2) Дистанционность;

3) Точность измерения.

Динамическая стойка.

На внутренней поверхности верхняка закрепляют струну (см. рис. 38) длиной l₁. С помощью стоечных домкратов можно приподнять доски, опирающиеся на верхняк, освобождая его от нагрузки. Специальным прибором-частотомером измеряют частоты колебаний струны, соответствующие работе верхняка под нагрузкой ν₁ и работе разгруженного верхняка ν₂.

Напряжение в струне σ_с и в нижнем волокне верхняка σ_д можно найти по формулам:

σ_c = 4ρl²₁(ν²₁ – ν²₂);

где ρ — плотность материала струны;

σ_д и Е_с — модули упругости соответственно дерева и струны.

Величина σ_д представляет собой среднее значение напряжения на участке, равном длине струны. Поэтому для обеспечения достаточной точности (1—2 кгс/см²) длина струны не должна превышать 4—6 см.

В этих условиях горное давление можно определять двумя способами, измеряя напряжения и деформации в обделке (с последующим переходом к вызвавшим их нагрузкам) или непосредственно контактные напряжения, возникающие по наружному контуру обделки.

Для измерения контактных напряжений по контуру обделки применяют так называемые мессдозы, установленные по контуру выработки, показывают значения нормальных составляющих давления, действующего на обделку. Мессдоза ЦНИИСа Минтрансстроя, предназначенная для измерения давлений до 15 кгс/см², представляет собой герметическую стальную коробку 1 с мембраной 2, подвергающейся действию измеряемого давления. Давление на мембрану определяют по изменению частоты колебаний струны в поле электромагнита 3 , которые преобразуются в электромагнитные.

Рис. 39. Мессдоза ЦНИИСа

Рис. 40. Установка мессдозы

При определении величины горного давления большое значение имеет тщательное заполнение зазора между обделкой и породой, обеспечивающее равномерное распределение давления по контуру обделки и включение всех мессдоз в работу. Описанный способ, при котором интенсивность горного давления измеряется непосредственно в месте установки мессдозы, применим в слабых, легко деформируемых породах, если за обделкой отсутствуют элементы временной крепи (наличие таких элементов может исказить результаты измерений).

В твердых породах, а также в случаях, когда за обделкой остаются части крепи, для измерения средней интенсивности горного давления используют элемент сборной обделки, приспособленный для этой цели, — измерительный тюбинг (рис. 41).

Рис. 41. Измерительный тюбинг ЦНИИСа

К спинке тюбинга 1 прикреплен тонкий стальной лист 5 , опирающийся по контуру на резиновые прокладки 2. Образующуюся полость 3толщиной до 30 мм заполняют под давлением пластичным битумом. В специальные отверстия в спинке тюбинга ввинчены малогабаритные мессдозы 6 до контакта со слоем битума. Цементный раствор за обделку нагнетают через отверстия 4. В этом случае горное давление передается через стальной лист на битум, а затем на мембраны мессдоз, которые показывают среднее значение контактного давления на площадь стального листа.

При измерении контактных напряжений по контуру выработки необходимо одновременно измерять напряжения и деформации обделки и изучать физико-механические свойства окружающих обделку пород, чтобы можно было сделать выводы как о распределении горного давления, так и о совместной работе обделки и горного массива, представляющего собой упругую среду.

31. Взаимодействие обделки с грунтовым массивом. Выбор расчетной схемы.

Проходка выработки, связанная с удалением некоторого объема грунта из массива, приводит к нарушению существовавшего в массиве равновесия и изменению начального поля напряжений. В окрестности выработки происходят процессы деформирования и разрушения грунта. Для предотвращения чрезмерных деформаций и обрушения грунта в выработкe возводят крепь (обделку). Обделка препятствует развитию деформаций грунта, вступая с ним в силовое взаимодействие.

Анализируя процесс этого взаимодействия обделки и грунтового массива, можно выделить три характерных этапа:

I этап - свободное деформирование контура выработки;( свободное деформирование контура выработки на некоторую величину U _o. свободное деформирование контура выработки на некоторую величину U _o.)

II этап - совместное деформирование обделки и массива; (смещение крепи под действием нагрузки от грунтового массива, т.е. совместное деформирование обделки и массива. Второй этап начинается с того момента, когда грунт вступает в контакт с обделкой. По мере дальнейшего деформирования грунт встречает нарастающее сопротивление обделки Р. Этот процесс называют силовым взаимодействием обделки с массивом.

III этап - установившееся равновесное состояние системы «обделка - грунтовый массив». (установившееся в результате этого взаимодействия новое равновесное состояние массива. Напряжения, возникающие на контакте обделки и массива, принято называть горным давлением или нагрузкой на обделку Р.)

Расчетную схему обделки выбирают в соответствии с характером конструкции и окружающих пород, а также в зависимости от условий работ, на всех стадиях производства которых обделка в целом или ее отдельные части должны обладать достаточной прочностью и устойчивостью.

32. Расчет обделок, работающих в режиме заданных нагрузок. Сочетание нагрузок.

Исходная предпосылка для расчета: жесткость обделки не влияет на характер формирования горного давления, поэтому нагрузки определяются из анализа устойчивости незакрепленной выработки и прикладываются затем к конструкции.

Расчет конструкций обделок следует производить на наиболее невыгодное, но реальное, сочетание нагрузок и воздействий, которые могут действовать одновременно при строительстве или эксплуатации сооружения. Разделяют нагрузки по степени вероятности возникновения на основные сочетания и особые сочетания.

Основные сочетания состоят из постоянных нагрузок и воздействий (нагрузок от горного давления, наружного гидростатического давления, собственного веса конструкции и насыпного грунта); длительно действующих временных нагрузок (нагрузок от морозного пучения грунта, от температурных деформаций, от усадки бетона и так далее) и кратковременных нагрузок (от веса транспортного и монтажного оборудования,, нагнетания раствора за обделку и т.п.).

Особые сочетания состоят из постоянных нагрузок и воздействий, наиболее вероятных временных и одной из особых нагрузок (сейсмического или взрывного воздействия; нагрузок, вызванных неравномерными деформациями основания и т.п.).

Нагрузки от горного давления являются главным внешним силовым фактором. При расчете конструкций, работающих в режиме заданных нагрузок, величина нагрузки от горного давления определяется как вес грунта в объеме возможной зоны разрушения грунта в окрестности незакрепленной выработки. При этом горное давление представляется в виде внешней вертикальной q и горизонтальной p нагрузок на конструкцию обделки.

33. Основные расчетные схемы. Учет взаимодействия обделки с массивом (отпор грунта).

Под действием внешних активных нагрузок тоннельная обделка деформируется, изменяя своё положение относительно контура выработки. На той части контура, где перемещения обделки происходят в сторону выработки, обделка деформируется свободно, не взаимодействуя с грунтом. Эта часть контура носит название безотпорного участка и характеризуется возникновением значительных изгибающих моментов. На остальной части контура тоннельная обделка смещается в сторону грунта, вызывая с его стороны сопротивление – упругий отпор, ограничивающий деформации конструкции и возникающие в ней изгибающие моменты.

В обделках замкнутого очертания стены жестко связаны концами обратного свода, покоящегося на упругом основании. В этом случае упругую среду заменяют упругими опорами на всем контуре взаимодействия обделки с грунтом.

34. Расчет обделок по схеме стержневой конструкции в упругой среде (метод Метрогипротранса). Алгоритм расчета.

Для статического расчета системы, обладающей большой степенью подвижности узлов (опоры не жесткие, а упругие), наиболее целесообразно применять метод сил, дающий наименьшее количество лишних неизвестных. В качестве основной системы принимают шарнирную цепь, получающуюся в результате введения шарниров в местах упругих опор и в замковом сечении обделки с одновременным приложением неизвестных усилий – пары изгибающих моментов М₁, М₂, …, М_n.

При симметрии обделки и действующих на нее нагрузок относительно вертикальной оси в качестве лишних неизвестных рассматривают парные изгибающие моменты в симметричных шарнирах.

Неизвестные определяют решением канонических уравнений, каждое из которых отрицает возможность перемещения по направленно удаленной связи (равенство 0 угла взаимного поворота сечений стержней, сходящихся в шарнире).

Канонические уравнения имеют вид:

……………………………………………………

где и - перемещения основной системы по направлению неизвестных от действия соответственно парных единичных моментов, приложенных в точках К, и от нагрузок;

- угол поворота подошвы стены под действием единичного момента;

- момент инерции подошвы стены, - высота сечения подошвы; - коэффициент упругого отпора в основании стены.

Перемещения по методу сил определяются:

Первый член формулы учитывает влияние на размер перемещений изгиба стержней, второй член – влияние обжатия стержней нормальными силами. Обжатию подвергаются как стержни, входящие в многоугольник, так и упругие опоры. Поэтому второй член необходимо преобразовать для возможности учета осадок упругих опор.

Входящие = продольной деформации стержня сечением и длиной от действия единичной силы.

Единичная сила вызывает напряжение грунта под опорой , так как опора воспринимает отпор грунта с площади, равной произведению ширины в кольца обделки на длину постели опоры, которая равна полусумме расстояний до соседних опор.

Осадку опоры ,

где - коэффициент упругого отпора (может быть переменным по контуру обделки), - характеристика жесткости, которая может быть различной для разных опор в связи с изменением коэффициента упругого отпора

, где и - усилия в опоре основной системы.

Для определения грузовых перемещений , усилия заменяют усилиями в основной системе от действия нагрузок.

Усилия в основной системе от нагрузки и единичных моментов определяют путем последовательного вырезания узлов шарнирно-стержневой цепи, на которую опирается трехшарнирная арка, с рассмотрением условий их равновесий.

35. Расчетная схема для пологого свода.

Простейшей тоннельной обделкой является свод, опертый непосредственно на стены выработки. Подъем таких сводов, как правило, невелик по сравнению с величиной пролета.

Свод, опирающийся на породу

В результате деформации под нагрузкой большая часть наружного контура свода выходит из контакта с упругой средой. Поэтому свод можно рассматривать как кривой брус с пятами, упруго заделанными в породу, т.е. имеющими возможность поворота и смещения по касательной к оси свода. Радиальные смещения пят исключаются вследствие наличия в пятовых сечениях значительных сил трения.

36. Расчетная схема для подъемистого свода.

При деформации под нагрузкой верхняя часть свода подковообразной обделки выходит из упругого контакта с окружающими породами. На остальном протяжении обделка вдавливается в породу, вызывая со стороны последней упругий отпор, пропорциональный радиальным деформациям, и силы трения. Форма и протяжение эпюр этих усилий неизвестны и подлежат определению в ходе расчета.

Подошвы стен не смещаются в горизонтальном направлении вследствие наличия сил трения, но имеют возможность поворачиваться относительно точки а, лежащей в их уровне. Напряженное состояние обделки в значительной степени определяется величиной и характером распределения упругого отпора.

Положение верхней границы эпюры отпора обычно задается в соответствии с практикой проектирования тоннельных конструкций в аналогичных условиях. Распределение упругого отпора по контуру обделки зависит от многих факторов и носит сложный характер.

Совместная работа обделки с упругой средой может быть учтена разными способами. Наиболее естественно, используя опыт расчета аналогичных конструкций, задать форму эпюры упругого отпора и в качестве дополнительного неизвестного принять его максимальную интенсивность, которая может быть найдена из рассмотрения радиальных деформаций среды в соответствующей точке. Такой метод расчета предложен Г.Г. Зурабовым и О.Е. Бугаевой, принявшими эпюру отпора в виде двух парабол с максимальной интенсивностью σ_h в точке h их сопряжения (рис. 80).

Рис. 80. Расчетная схема обделки с заданной формой эпюры отпора

В действительности форма эпюры отпора в значительной степени зависит от упругости среды, жесткости обделки и характера действующих на нее нагрузок. Влияние этих факторов может сильно изменить распределение отпора по контуру обделки. Поэтому наиболее правильным методом является его выявление расчетом.

По предложению инженеров Метропроекта упругую среду заменяют достаточно часто расположенными опорами с эквивалентными упругими свойствами (рис. 81). На участке контура, соответствующем упругой опоре, интенсивность отпора породы принимают постоянной. Получаемая в результате расчета эпюра отпора имеет ступенчатое очертание в соответствии с радиальными деформациями среды в местах упругих опор (см. рис. 96). Увеличение числа опор повышает точность расчета.

Рис. 81. Расчетная схема обделки на упругих опорах

В частном случае, если обделка состоит из свода, плавно переходящего в вертикальные стены постоянной жесткости (рис. 82, а), можно отказаться от введения упругих опор, так как стены представляют собой балки на упругом основании. В нижней части свода задают форму эпюры отпора, максимальную интенсивность σ_а которого на уровне верха стены определяют расчетом.

Обделка замкнутого очертания в упругой среде. В обделках замкнутого очертания стены жестко связаны концами обратного свода, покоящегося на упругом основании. Определение усилий в конструкции в этом случае наиболее целесообразно производить, заменяя упругую среду упругими опорами на всем контуре взаимодействия обделки с породой (рис. 83). При этом следует иметь в виду, что такая расчетная схема реализуется, если обделку бетонируют, начиная с обратного свода, например, в слабых грунтах, на которые невозможно опирание стен, или в скальных породах, где обратный свод бетонируют в первую очередь с целью обеспечения надежного основания для перемещения инвентарных опалубок (в гидротехнических тоннелях).

Рис. 83. Расчетная схема обделки замкнутого очертания

В устойчивых породах, как правило, в первую очередь бетонируют верхнюю подковообразную часть обделки. Обратный свод сооружают после того, как верхний свод достиг проектной прочности и за него произведено нагнетание цементно-песчаного раствора, обеспечивающее совместную работу обделки с породой.

Деформации обратного свода, сооружаемого позднее и подвергающегося меньшим нагрузкам, чем верхняя часть обделки, не могут существенно повлиять на условия в наиболее напряженном верхнем своде. Поэтому верхнюю часть обделки рассчитывают без учета обратного свода по схеме, показанной на рис. 81, а обратный свод рассматривают как шарнирно опертый на стены под действием передающихся непосредственно на него нагрузок (нагрузки от выпирания из-под стен в песчаных и глинистых грунтах, гидростатического давления, если водонепроницаемость обратного свода обеспечена).

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 486; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!