«Обґрунтування параметрів випереджаючого бетонного креплення при будівництві підземних споруд»
Науковий керівник: к.т.н., проф. Лисіков Борис Артемович
Актуальність роботи
Грамотне кріплення гірських вироблень є однією з головних ланок при будівництві підземних споруд і безпосередньо зв'язано з ризиком обвалення гірських порід. Причини подібних аварій можуть бути різними, і усунення їх наслідків часто буває вельми скрутним і дорогим, що іноді навіть перевищує десятки мільйонів доларів США. Тому правильний вибір системи кріплення гірських вироблень при їх споруді безпосередньо впливає на термін і вартість їх експлуатації.
Мета роботи
Метою даної магістерської роботи є створення методики розрахунку параметрів випереджаючої бетонного креплення, його складу і найбільш ефективної технології його зведення, шляхом обліку на стадії геологічних і гідрологічних досліджень, детальных проектних опрацьовувань і ретельне виконання гірничо-прохідницьких робіт, для зменшення витрат і збільшення терміну експлуатації.
Методи дослідження
Методом дослідження є комплексний метод, що включає системний аналіз матеріалів досліджень інших авторів у даній області, облік сучасного досвіду у сфері кріплення гірських вироблень гірських породах, обробка реальних даних, що є на сьогоднішній день: літературних джерел, комп'ютерне моделювання, а також проведення лабораторних досліджень і експериментів.
Об'єкт дослідження
Явище порушення цілісності випереджаючого бетонного креплення гірських вироблень, проводимих у гірському масиві.
Предмет дослідження
Параметри і склад випереджаючого бетонного креплення, що забезпечують підвищення працездатності кріплення в складних гірничо-геологічних умовах.
Наукова новизна роботи
Дана робота як внесок в науку про гірську справу припускає створення методики розрахунку параметрів випереджаючого бетонного крпелення, її складу в комплексі з технологією проведення гірських вироблень в складних гірничо-геологічних умовах.
Практична цінність роботи
Полягає в тому, що створюється методика розрахунку параметрів і складу випереджаючої бетонної крепі, а також доводиться необхідність обліку чинника системності ОБК. Створені передумови для проектування випереджаючої бетонного креплення із заданим рівнем надійності для даних гірничо-геологічних умов.
Сутність вживання випереджаючого бетонного креплення (ОБК)
Сутність вживання випереджаючого бетонного креплення (ОБК) полягає в попередньому створенні попереду забою вироблення тимчасового креплення, шляхом бетонування методом набризга заздалегідь створеної контурної щілини завдовжки 3-4 м і заввишки 10-20 см. Щілина прорізається під невеликим кутом (4-12 ) до подовжньої осі тунеля, щоб забезпечити можливість зведення подальших секцій ОБК. На відміну від традиційного креплення (арочною, анкерною, набризгбетонною) ОБК стабілізує порідний масив до розробки і запобігає його зрушенню. Практично виключаються перебори породи із-за рівного контура контурної щілини, зводяться до мінімуму деформації порідного масиву і поверхні землі, підвищуються темпи проходки. ОБК входить до складу постійної конструкції тунеля, тоді як інші види креплення виконують лише тимчасові функції.
Вартість будівництва з ОБК на 40-60% нижче, ніж при споруді традиційним способом. Доцільна сфера застосування ОБК – скельні, напівскельні і м'які породи з коефіцієнтом фортеці по М.М. Протодьяконову f = 2-5.
Дану технологію успішно застосовують на будівництві тунелів метрополітену, залізничних і автодорожніх тунелів у Франції, Італії, Іспанії, Швейцарії, Венесуелі і Японії. До теперішнього часу із застосуванням ОБК споруджений станційний комплекс «Адміралтейська» Санкт-Петербурзького метрополітену.
Для нарізування контурної щілини створено спеціалізоване устаткування з баровим робочим органом, призначене для роботи в породах різної фортеці. При проходці тунелів з ОБК у Франції застосовували декілька видів щеленарізних машин. Машина для проходки в міцних породах, сконструйована французькими фірмами «Супремек» і «Перфорекс» і що випускається фірмою «Сершар», включає змонтовану на гусеничному ходу портальну раму, під якою вільно проходить устаткування для розробки і вантаження породи. До рами консольно прикріплений збірно-розбірний металевий щит, контур якого відповідає проектному контуру вироблення. По двох зубчастих рейках арочної форми в передній і задній частинах рами переміщається каретка зі встановленим на ній баровим органом; довжина бару 2,27 м.
Машина дозволяє нарізувати щілину завглибшки 1,9 м, заввишки 80-100 мм під кутом не менше 10° до горизонтальної осі. Більшість з побудованих із застосуванням ОБК тунелів закладені в неміцних скельних, підлозі скельних і м'яких породах. Проходку тунелів здійснюють гірськими способами нижнього уступу або суцільного забою з розробкою породи механізованим способами без вживання буропідривних робіт.
Залежно від необхідної товщини крепі висота щілини змінюється від 10 до 20 см, глибина її визначається глибиною проникнення робочого органу щеленарезной машини і не перевищує 5,0 м. Проте в слабоустойчивих порушених породах глибину щілини слід зменшувати до 1-1,5 м.
В процесі нарізування щілини робочий орган машини нахилений назовні, так що щілина набуває конічної форми. Це дає можливість «перекриття» сусідніх секцій ОБК не менше чим на 0,3 м-кодів і створення безперервної крепі. Збільшення довжини «перекриття» до 1-1,5 м хоча і підвищує здатність оброблення, що несе, на значно знижує темпи проходки. Відразу ж після нарізки чергової щілини її заповнюють бетонною сумішшю за технологією набризгбетонірованія в торець щілини.
Час набору міцності бетону в щілині змінюється в досить широких межах: від 4-6 ч (Паризький метрополітен) до 10-15 ч (тунель Акико, Японія) і 16-17 ч (тунелі Фонтене і Со, Франція). Після того, як бетон набере необхідну міцність (порядка 8-10 МПа), під прикриттям ОБК розробляють породу в забої на величину заходки, використовуючи тоннелепроходчеськую машину з робочим органом виборчої дії або тунельний екскаватор.У міру розробки породи ОБК підкріплюють сталевими арками, розташовуючи їх з кроком 2-2,5 м.
Тривалість нарізування щілини в напівскельних і м'яких породах визначається можливостями щеленарезной машини і складає 3-15 мін при середній швидкості різання 1 м/мін., а час циклу пристрою однієї секції ОБК складає 3-5 ч. Постійне оброблення зводять на відстані 15-20 м від забою з використанням пересувної опалубки.
Будівництво тунелів з ОБК в незв'язкових слабостійких породах проводиться майже так само, як в м'яких. Проте глибина проникнення робочого органу щеленарезной машини зменшується до 1,5-1 м, а в деяких випадках до 0,4 м. Швидкість проходки тунелів даною технологією складає 40-60 м/мес.
Метод проходки тунелів з ОБК має великі перспективи там, де вживання традиційних технологій зв'язане з ризиком порушення порідного масиву і де важливе строге дотримання екологічних вимог. Вживання розглянутої технології можливе в широкому діапазоні інженерно-геологічних умов (від скельних до незв'язних грунтів) при проходці тунелів різних форм і розмірів поперечного перетину площею більше 30 м2 .При цьому досягається повна механізація операцій прохідницького циклу, підвищується безпека робіт, зводяться до мінімуму порушення довкілля, осідання грунтового масиву і поверхні землі в 4-5 разу менше в порівнянні з традиційними способами в аналогічних умовах.
До достоїнств способу слід віднести також гнучкість технології, хорошу пристосовність до інженерно-геологічних умов, що змінюються. Проходка тунелів з ОБК може скласти альтернативу відкритим способам будівництва тунелів дрібного заставляння на забудованих ділянках міських територій.
На мал. 1 показаний тунель споруджуваний способом випереджаючої бетонної крепі, подовжній розріз і перетин.
Ріс.1 Подовжній розріз і перетин споруджуваного тунеля.
Роботи по спорудженню тунеля виробляють в наступній послідовності. Із забою вироблення в п'яткових перетинах на довжину заходки бурять випереджаючі свердловини 1 діаметром D = (2 - 3)Н, де Н - товщина щілини 2. Потім проводять випереджаючу щілину 2 по контуру калоттного перетину вироблення.
Свердловини 1 і щілина 2 заповнюють бетонною сумішшю. Після набору бетоном необхідної міцності і утворення крепі 3 і п'яткових підсилюючих елементів 4 розробляють грунт на величину заходки. При цьому елементи 4 сприймають на себе додаткову напругу і виключають потовщення оброблення в п'ятах. Потім зводять оброблення 5 тунеля постійної товщини, що знижує витрату бетону.
Анімований малюнок за технологією зведення випереджаючої бетонної крепі.
1. Гелескул М. Н., Каретников В. Н. Довідник по кріпленню капітальних і підготовчих гірських вироблень. М., Надра, 1982 р., 479 с.
2. Лисіков Б. А., Метро і тунелі. 2002 р. № 3, – с. 39-41.
3. Вдосконалення технологиії будівництва шахт і підземних споруд. Сб. наук. праць. – Донецьк: "Норд-прес", Випуск № 11, 2005 р. – 100 с.
4. Шевченко Ф. Л. Задачи по механіці пружних систем, що деформуються: Навчальний посібник для вузів, частина 2 / – Київ: ІСИО, 1996 р. – 206 с.
5. Лисіков Б. А. та ін. Будівництво метрополітенів і підземних споруд на територіях, що підробляються: Навчальний посібник для вузів, частина 1 / – Севастополь: "Вебер", 2003 р. – 302 с.
6. Кауфман Л. Л., Кулдиркаєв Н. І., Лисіков Б. А. Будівництво тунелів. Монографія в 2-х частинах. Частина II. / – Донецьк: "Норд-прес", 2006 р. – 330 с.
