«Обоснование параметров опережающей бетонной крепи при строиетльстве подземных сооружений»
Научный руководитель: к.т.н., проф. Лысиков Борис Артемович
Актуальность работы
Грамотное крепление горных выработок является одним из главных звеньев при строительстве подземных сооружений и напрямую сопряженно с риском обрушения горных пород. Причины подобных аварий могут быть различными, и устранение их последствий часто бывает весьма затруднительным и дорогостоящим, иногда даже превышаюими десятки миллионв долларов США. Поэтому профессионально-грамотный и экономически обоснованный выбор системы крепления горных выработок при их сооружении напрямую влияет на срок и стоимость их эксплуатации.
Цель работы
Целью данной магистерской работы является создание методики расчета параметров опережающей бетонной крепи, ее состава и наиболее эффективной технологии ее возведения, путем учета на стадии геологических и гидорлогических изысканий ,детальных проэктных проработок и тательное выпоненение горно-проходческих работ, для уменьшения затрат и увеличения срока эксплуатации.
Идея данной магисторской работы соститоит в том, чтобы определить наиболее оптимальные параметры возводимой опережающей бетонной крепи, а именно быстро набрать высокую прочность и несущую способность, дающие возможность продолжить выимку породы. При этом повышается безопасность работ, сводятся к минимуму нарушения окружающей среды, осадки грунтового массива и поверхности земли в 4-5 раза меньше по сравнению с традиционными способами в аналогичных условиях.
В ходе данной работы необходимо решить следующие задачи: 1. Проанализаровать взаимодействие горного массива и опережающей бетонной крепи на стадии её схватывания.
2. Провести лабораторные исследования и определить параметры, и состав опережающей бетонной крепи, обеспечивающие повышение работоспособности крепи в сложных горно-геологических условиях. 3. Провести исследования технической документации по проходке выработок, пройденных способом ОБК.
4. Разработать компьютерную модель системы "опережающая бетонная крепь – горный массив" для обоснования работы параметров возведения крепи горных выработок.
5. Выполнить анализ и обобщение литературных источников по теме данной работы.
Методы иследования
Методом исследования являетмя комплексный метод, включающий в себя системный анализ материалов исследований других авторов в данной области, учёт современного опыта в сфере крепления горных выработок в слабых горных породах, обработка имеющихся на сегодняшний день реальных данных и литературных источников, компьютерное моделирование, а также проведение лабораторных исследований и экспериментов.
Объект исседования
Явление нарушения целостности опережающей бетонной крепи горных выработок, проходимых в слабом горном массиве.
Предмет исследования
Параметры и состав опережаюей бетонной крепи, обеспечивающие повышение работоспособности крепи в сложных горно-геологических условиях.
Научная новизна работы
Данная работа в качестве вклада в науку о горном деле предпологает создание методики расчета параметров опережающей бетонной крепи, ее состава в комплексе с технологией проведения горных выработок в сложных горно-геологических условиях.
Практическая ценность работы
Состоит в том, что создается методика расчета параметров и состава оережаюей бетонной крепи, а также доказываеться необходимость учета фактора системности ОБК. Созданы предпосылки для проектирования опережающей бетонной крепи с заданым уровнем надежности для данных горно-геологических условий. Также данные исследования помогут сократить время на возведение крепи, а также дадут возможность контролировать качество возведения.
Сущность применения опережающей бетонной крепи (ОБК)
заключается в предварительном создании впереди забоя выработки временной крепи путем бетонирования методом набрызга предварительно созданной контурной щели длиной 3-4 м и высотой 10-20 см. Щель прорезается под небольшим углом (4-12 ) к продольной оси тоннеля, чтобы обеспечить возможность возведения последующих секций ОБК. В отличие от традиционной крепи (арочной, анкерной, набрызгбетонной) ОБК стабилизирует породный массив до разработки и предотвращает его сдвижение.Эта крепь обладает повышенной прочностью за счет высокой прочности самого набрызгбетона,прочностной связи его с породными стенками и образования упрочненной бетоннопородной оболочки. Практически исключаются переборы породы из-за ровного очертания контурной щели, сводятся к минимуму деформации породного массива и поверхности земли, повышаются темпы проходки. ОБК входит в состав постоянной конструкции тоннеля, в то время как другие виды крепи выполняют лишь временные функции.
Стоимость строительства с ОБК на 40-60% ниже, чем при сооружении традиционным способом. Целесообразная область применения ОБК – некрепкие скальные, полускальные и мягкие породы с коэффициентом крепости по М.М. Протодьяконову f = 2-5.
Рассматриваемую технологию успешно применяют на строительстве тоннелей метрополитена, железнодорожных и автодорожных тоннелей во Франции, Италии, Испании, Швейцарии, Венесуэле и Японии.
К настоящему времени с применением ОБК сооружен станционный комплекс «Адмиралтейская» Санкт-Петербургского метрополитена.
Для нарезания контурной щели создано специализированное оборудование с баровым рабочим органом, предназначенное для работы в породах различной крепости. При проходке тоннелей с ОБК во Франции применяли несколько видов щеленарезных машин. Машина для проходки в крепких породах, сконструированная французскими фирмами «Супремек» и «Перфорекс» и выпускаемая фирмой «Сершар», включает смонтированную на гусеничном ходу портальную раму, под которой свободно проходит оборудование для разработки и погрузки породы. К раме консольно прикреплен сборно-разборный металлический щит, очертание которого соответствует проектному контуру выработки. По двум зубчатым рейкам арочной формы в передней и задней частях рамы перемещается каретка с установленным на ней баровым органом; длина бара 2,27 м.
Машина позволяет нарезать щель глубиной 1,9 м, высотой 80-100 мм под углом не менее 10° к горизонтальной оси.
Большинство из построенных с применением ОБК тоннелей заложены в некрепких скальных, полу скальных и мягких породах. Проходку тоннелей осуществляют горными способами нижнего уступа или сплошного забоя с разработкой породы механизированным способами без применения буровзрывных работ.
В зависимости от требуемой толщины крепи высота щели изменяется от 10 до 20 см, глубина ее определяется глубиной проникновения рабочего органа щеленарезной машины и не превышает 5,0 м. Однако в слабоустойчивых нарушенных породах глубину щели следует уменьшать до 1-1,5 м.
В процессе нарезания щели рабочий орган машины наклонен наружу, так что щель приобретает коническую форму. Это дает возможность «перекрытия» соседних секций ОБК не менее чем на 0,3 м и создания непрерывной крепи. Увеличение длины «перекрытия» до 1-1,5 м хотя и повышает несущую способность обделки, на значительно снижает темпы проходки. Сразу же после нарезки очередной щели ее заполняют бетонной смесью по технологии набрызгбетонирования в торец щели.
Время набора прочности бетона в щели изменяется в довольно широких пределах: от 4-6 ч (Парижский метрополитен) до 10-15 ч (тоннель Акико, Япония) и 16-17 ч (тоннели Фонтенэ и Со, Франция). После того как бетон наберет требуемую прочность (порядка 8-10 МПа), под прикрытием ОБК разрабатывают породу в забое на величину заходки, используя тоннелепроходческую машину с рабочим органом избирательного действия или тоннельный экскаватор. По мере разработки породы ОБК подкрепляют стальными арками, располагая их с шагом 2-2,5 м.
Продолжительность нарезания щели в полускальных и мягких породах определяется возможностями щеленарезной машины и составляет 3-15 мин при средней скорости резания 1 м/мин., а время цикла устройства одной секции ОБК составляет 3-5 ч. Постоянную обделку возводят на расстоянии 15-20 м от забоя с использованием передвижной опалубки.
Строительство тоннелей с ОБК в несвязных слабоустойчивых породах ведется почти так же, как в мягких. Однако глубина проникновения рабочего органа щеленарезной машины уменьшается до 1,5-1, а в некоторых случаях до 0,4 м. Скорость проходки тоннелей данной технологией составляет 40-60 м/мес.
Метод проходки тоннелей с ОБК имеет большие перспективы там, где применение традиционных технологий сопряжено с риском нарушения породного массива и где важно строгое соблюдение экологических требований. Применение рассмотренной технологии возможно в широком диапазоне инженерно-геологических условий (от скальных до несвязных грунтов) при проходке тоннелей различных форм и размеров поперечного сечения площадью более 30 м2 . При этом достигается полная механизация операций проходческого цикла, повышается безопасность работ, сводятся к минимуму нарушения окружающей среды, осадки грунтового массива и поверхности земли в 4-5 раза меньше по сравнению с традиционными способами в аналогичных условиях.
К достоинствам способа следует отнести также гибкость технологии, хорошую приспособляемость к изменяющимся инженерно-геологическим условиям. Проходка тоннелей с ОБК может составить альтернативу открытым способам строительства тоннелей мелкого заложения на застроенных участках городских территорий.
На рис. 1 показан тоннель сооружаемый способом опережающей бетонной крепи, продольный разрез и сечение.
Рис.1 Продольный разрез и сечение сооружаемого тоннеля.
Работы по сооружению тоннеля производят в следующей последовательности. Из забоя выработки в пятовых сечениях на длину заходки бурят опережающие скважины 1 диаметром D = (2 - 3)Н, где Н - толщина щели 2. Затем проводят опережающую щель 2 по контуру калоттного сечения выработки. Скважины 1 и щель 2 заполняют бетонной смесью. После набора бетоном необходимой прочности и образования крепи 3 и пятовых усиливающих элементов 4 разрабатывают грунт на величину заходки. При этом элементы 4 воспринимают на себя дополнительные напряжения и исключают утолщения обделки в пятах. Затем возводят обделку 5 тоннеля постоянной толщины, что снижает расход бетона.
Анимированный рисунок по технологии возведения опережающей бетонной крепи.
1. Гелескул М. Н., Каретников В. Н. Справочник по креплению капитальных и подготовительных горных выработок. М., Недра, 1982 г., 479 с.
2. Лысиков Б. А., Метро и тоонели. 2002 г., № 3, – c. 39-41.
3. Совершенствование технологиии строительства шахт и подземных сооружений. Сб. науч. трудов. – Донецк: "Норд-Пресс", Выпуск № 11, 2005 г. – 100 с.
4. Шевченко Ф. Л. Задачи по механике упругих деформируемых систем: Учебное пособие для вузов, часть 2 / – Киев: ИСИО, 1996 г. – 206 с.
5. Лысиков Б. А. и др. Строительство метрополитенов и подземных сооружений на подрабатываемых территориях: Учебное пособие для вузов, часть 1 / – Севастополь: "Вебер", 2003 г. – 302 с.
6. Кауфман Л. Л., Кулдыркаев Н. И., Лысиков Б. А. Строительство туннелей. Монография в 2-х частях. Часть II. / – Донецк: "Норд-Пресс", 2006 г. – 330 с.
