> **РАСЧЕТ ВРЕМЕННОЙ КРЕПИ ТОННЕЛЕЙ** > > **Общие положения** Временная крепь должна обеспечивать устойчивость выработки до возведения постоянной обделки. В современной практике тоннелестроения наибольшее распространение получили крепи из анкеров, набрызг-бетона и металлических арок, а также комбинированные конструкции, в которые входят элементы крепи различных типов. Конструкции и технологию устройства крепи выбирают с соблюдением требований действующих норм проектирования и строительства тоннелей исходя из степени устойчивости породного массива, в котором закладывается тоннель. По степени устойчивости горных пород в практике тоннелестроения выбирают конкретный тип временной крепи, наиболее целесообразный для данных условий. В табл. 1 приведены категории пород по степени устойчивости ------------------------------------------------------------------------------ Категория Коэффициент Степень Допустимые сроки Удельный вес, пород крепости *f* устойчивости обнажения т/м^3^ выработки (до установки временной крепи) ----------- ------------- -------------- ------------------ ------------------ I \> 10 Вполне Неограниченно \> 2,9 устойчивые II 8...10 Устойчивые До 6 месяцев 2,6 -- 2,9 III 5...8 Средней 10...15 суток 1,9 -- 2,5 устойчивости IV 3...5 Неустойчивые Менее 1 суток 1,3 -- 1,8 V \< 3 Весьма Обнажение не \< 1,3 неустойчивые допускается ------------------------------------------------------------------------------ : Таблица 1 +-----------------------+-------------------------------------------------+ | Коэффициент крепости | Глубина заходки *l*~зах~ , м | | породы | | | +------------------------+------------------------+ | | в тоннеле (S \> 20 | в штольне (S \< 20 | | | м^2^) | м^2^) | +:=====================:+:======================:+:======================:+ | 2...4 | 1,5...2,5 | 1,5...2,0 | +-----------------------+------------------------+------------------------+ | 5...6 | 3,0 | 2,5 | +-----------------------+------------------------+------------------------+ | 7...8 | 3,5 | 3,0 | +-----------------------+------------------------+------------------------+ | Более 8 | 4,0 | 3,5 | +-----------------------+------------------------+------------------------+ : Таблица 2 Большое значение для устойчивости выработки имеет состояние трещиноватости скальных пород. По степени трещиноватости породы разделяют на пять категорий, которые оцениваются по коэффициенту трещиноватости массива (табл. 2). +----------------------+--------------+-------------------+------------------+ | > Степень | > Количество | > Ориентировочное | > Коэффициент | | > трещиноватости | > трещин на | > расстояние | > трещиноватости | | > пород | > | > между | > | | | > 1 м^2^ | > | > *k~Т~* | | | > забоя | > трещинами, м | | +:=====================+==============+===================+==================+ | > Нетрещиноватые | > До 1 | > \- | > 1 | +----------------------+--------------+-------------------+------------------+ | > Слаботрещиноватые | > 1...2 | > 1...2 | > 1,5 | +----------------------+--------------+-------------------+------------------+ | > Трещиноватые | > 2...4 | > 0,5...1 | > 2 | +----------------------+--------------+-------------------+------------------+ | > Сильнотрещиноватые | > 4...10 | > 0,2...0,5 | > 2,5 | +----------------------+--------------+-------------------+------------------+ | > Раздробленные | > Больше 10 | > Меньше 0,2 | > \- | +----------------------+--------------+-------------------+------------------+ : Таблица 3 Удовлетворительную устойчивость выработки могут обеспечить различные типы и сочетания элементов крепи. Поэтому предпочтение следует отдавать тем, которые требуют наименьших трудозатрат или стоимости. Тип временной крепи для конкретных условий, исходя из степени устойчивости горных пород, их трещиноватости, выветриваемости и обводненности, ориентировочно можно выбрать из прил. А, составленной на основе опыта строительства подземных сооружений Расчет конструктивных параметров временной крепи выполняется для различных типов крепи следующим образом. **Анкерная крепь** Длина рабочей части анкера (рис. 1), м $$l_{p} = 0,75B \bullet k_{т}/f$$ где *В* -- ширина выработки, м *f* -- коэффициент крепости породы; *k~Т~* -- Коэффициент трещиноватости массива (табл. 3). ![Рисунок 1 -- Расчетная схема анкера: 1 - анкер; 2 - шайба; 3 - граница зоны возможного обрушения](.work/laba8_media/media/image1.png){width="3.3020833333333335in" height="4.068312554680665in"} Длина замковой части *l~з~* принимается: для клиновых анкеров не менее 20 см, для железобетонных -- в пределах 30...60 см. Общая длина анкера (с учетом выступающей из породы части анкера длиной *l~k~* = 10 см), м: $$l_{a} = l_{p} + l_{з} + l_{k}$$ Прочность закрепления замка анкера в породе *N* принимают: для клинощелевых анкеров -- 90 кН при замке диаметром 25 мм и 60 кН при замке диаметром 36 мм; для железобетонных анкеров, кН, по формуле $$N = 10^{- 3} \bullet \pi \bullet l_{з} \bullet d_{ст} \bullet \tau_{сц}$$ где *d*~ст~ -- диаметр стержня анкера, м, принимаем равным от 14 до 20 мм; τ~сц~ -- удельное сцепление бетона с армирующим стержнем, принимают равным 45∙10^5^ Па (при сроке твердения 6ч.) Предельное расстояние между анкерами по условию несущей способности замка (рис. 2), м $$a_{n} = \sqrt{N/\left( 15\rho \bullet l_{p} \right)}$$ где ρ *-* средняя плотность породы, т/м^3^ ![Рисунок 2 - Схема к расчету анкеров на заходку](.work/laba8_media/media/image2.png){width="5.604166666666667in" height="3.8870647419072615in"} Чтобы исключить возможность образования вывалов между анкерами, должно быть выполнено условие: *a~n~* ≤ *l~p~* . При этом длина анкера не может быть менее 1 м. В сильнотрещиноватых породах расстояние между анкерами следует уменьшить до 0,5∙*l~p~* . Расчетная нагрузка на анкер составит, кН: $$P = 15\rho \bullet a^{2} \bullet l_{p}$$ где *a* -- принятое (откорректированное) расстояние между анкерами, м. Расстояние *а* корректируют с учетом того, чтобы оно было кратным длине заходки *l*~зах~. Диаметр стержня, см, анкера корректируют по формуле $$d = 2\sqrt{10P/\left( \pi \bullet R_{a} \right)}$$ где *R~a~* - расчетное сопротивление материала стержня анкера на растяжение, для стали *R~a~* = 225 МПа. Количество анкеров на заходку $$n_{a} = L_{a} \bullet l_{зах}/a^{2}$$ где *L~a~* -- периметр свода выработки, закрепленного анкерами. \*Параметры выработки принимаются в соответствии с расчетами в предыдущих работах **Крепь из набрызг-бетона** Набрызг-бетонная крепь применяется как в виде самостоятельной конструкции, так и в комбинированных конструкциях, т. е. при сочетании с анкерами или металлическими арками. При расчете определяют толщину покрытия и объем набрызг-бетона на цикл. Толщина покрытия из набрызг-бетона, применяющегося в качестве самостоятельной конструкции (рис.3, *а*), см: $$h = 3,46\sqrt{q_{p}/\left( m \bullet k_{1} \bullet R_{bt} \right)}$$ где *q~p~ --* расчетное давление, кН/м^2^ (Принимается в соответствии с расчетом в лабораторной работе *m --* коэффициент условий работы набрызг-бетона, определяют по формуле *m = m*~1~ *+ m*~2~ , причем *m*~1~ = 0,7 -- для глиноземистого цемента; > 1,0 -- для других видов цемента; *m*~2~ = 0,7 -- для слаботрещиноватых пород; > 0,5 -- для трещиноватых пород; *k*~1~ *-* коэффициент влияния ширины выработки и крепости породы, определяют по табл. 3. *R~вt~* -- расчетное сопротивление набрызг-бетона при осевом растяжении, КПа, определяют по табл. 4. ![Рисунок 3 - Расчетные схемы набрызг-бетонного покрытия:\ а - самостоятельная конструкция; б - в сочетании с анкерами 1 и арками 2](.work/laba8_media/media/image3.png){width="5.968055555555556in" height="1.914983595800525in"} +-----------------+-------------------------------------------------------------------+ | > Коэффициент | > Значение *k*~1~ при ширине выработки, м | | > крепости | | | > породы *f* | | | +----------------+----------------+----------------+----------------+ | | > 4 | > 6 | > 8 | > ≥10 | +=================+================+================+================+================+ | > 3 | > 0,2 | > 0,1 | > \- | > \- | +-----------------+----------------+----------------+----------------+----------------+ | > 4 | > 0,4 | > 0,3 | > 0,2 | > \- | +-----------------+----------------+----------------+----------------+----------------+ | > 6 | > 0,9 | > 0,8 | > 0,7 | > 0,6 | +-----------------+----------------+----------------+----------------+----------------+ | > ≥ 8 | > 1,0 | > 0,9 | > 0,8 | > 0,7 | +-----------------+----------------+----------------+----------------+----------------+ : Таблица 4 +------------------+-----------------------------------------------------------+ | Набрызг-бетон | Расчетное сопротивление *R~вt~* , КПа, при | | | | | | классе набрызг-бетона | | +-------------------+-------------------+-------------------+ | | В25 | В30 | В40 | +==================+===================+===================+===================+ | Армированный | 1,2 | 1,4 | 1,6 | +------------------+-------------------+-------------------+-------------------+ | Неармированный | 1,0 | 1,2 | 1,4 | +------------------+-------------------+-------------------+-------------------+ : Таблица 5 При армированном набрызг-бетоне покрытие выполняют по металлической сетке с ячейками 100 х 100 или 150 х 150 мм из проволоки диаметром 6...8 мм. Следует учитывать при этом, что армированным может быть покрытие толщиной не менее 6 см. Толщина покрытия из набрызг-бетона в сочетании с анкерами или арками (рис. 3, *б*), см: $$h = 10n_{1} \bullet a\sqrt{q_{p}'/\left( m \bullet k_{2} \bullet R_{bt} \right)}$$ где при гарантированном расчетном сцеплении покрытия с породой коэффициент, зависящий от комбинации видов крепи: *n*~1~ = 0,6 -- при сочетании с анкерами; > 0,7 -- при сочетании с арками; *а* -- расстояние между анкерами (арками), м -- принять самостоятельно в диапазоне 0,5-2,0 м; *q*′*~р~* -- нагрузка от возможного вывала породы между анкерами (арками), кН/м^2^, определяют по формуле $$q_{p}' = n_{2} \bullet \gamma \bullet a$$ *n*~2~ = 0,37 -- при сочетании с анкерами; > 0,25 -- при сочетании с арками; γ -- удельный вес породы, кН/м^3^; *k*~2~ -- коэффициент влияния расстояния между анкерами (арками) и крепости породы, определяют по табл. 5 +---------------+---------------------------------------------------------------+ | Коэффициент | Значение *k*~2~ при расстоянии между анкерами (арками), м | | крепости | | | породы *f* | | | +---------------+---------------+---------------+---------------+ | | 0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | +===============+===============+===============+===============+===============+ | ≤ 2 | 0,3 | 0,2 | 0,2 | 0,1 | +---------------+---------------+---------------+---------------+---------------+ | 3 | 0,5 | 0,4 | 0,3 | 0,2 | +---------------+---------------+---------------+---------------+---------------+ | 4 | 1,0 | 0,9 | 0,8 | 0,6 | +---------------+---------------+---------------+---------------+---------------+ | 6 | 1,0 | 1,0 | 0,9 | 0,8 | +---------------+---------------+---------------+---------------+---------------+ : Таблица 6 Объем набрызг-бетона на цикл находят по формуле, м^3^: $$V_{нб} = l_{св} \bullet l_{зах} \bullet h$$ где *l~св~* -- периметр свода и стен выработки, по которому наносится набрызг-бетон, м. \*Параметры выработки принимаются в соответствии с расчетами в предыдущих работах > **Пример расчета** Рассчитать временную крепь тоннеля набрызг-бетоном с креплением анкерами, коэффициент крепости пород *f*=6. ![Рисунок 3 - Расчетные схемы набрызг-бетонного покрытия: в сочетании с анкерами 1](.work/laba8_media/media/image3.png){width="3.23125in" height="2.9054068241469815in"} **Расчет** Определена толщина покрытия из набрызг-бетона класса В30 в сочетании с анкерами, принимая коэффициент *n*~1~ = 0,6, расстояние между анкерами -- 1,0 м, при использовании глиноземистого цемента $$h = 10n_{1} \bullet a\sqrt{q_{p}'/\left( m \bullet k_{2} \bullet R_{bt} \right)}$$ $$h = 10 \bullet 0,6 \bullet 1,0 \bullet \sqrt{\frac{7,4}{(1,2 \bullet 1,0 \bullet 1,4)}} = 12,6\ см\ > 6\ см$$ Коэффициент условий работы набрызг-бетона, определен по формуле $$m = m_{1} + m_{2}$$ $$m = 0,7 + 0,5 = 1,2$$ Нагрузка от возможного вывала породы между анкерами, принимая коэффициент *n*~2~ = 0,37 и коэффициент влияния расстояния между анкерами и крепости породы, равный 1,0: $$q_{p}' = n_{2} \bullet \gamma \bullet a$$ $$q_{p}' = 0,37 \bullet 20 \bullet 1,0 = 7,4\ кН/м^{2}$$ Объем набрызг-бетона на цикл с учетом глубины заходки *l*~зах~ = 3,0 и периметра свода и стен выработки 20,2 м: $$V_{нб} = l_{св} \bullet l_{зах} \bullet h$$ $$V_{нб} = 20,2 \bullet 3,0 \bullet 12,6 = 763,56\ м^{3}$$ *\* **Анкерная крепь** Рассчитать временную крепь тоннеля анкерами, коэффициент крепости пород *f*=6, породы слаботрещиноватые. Длина рабочей части анкера (рис. 1), м $$l_{p} = 0,75B \bullet k_{т}/f$$ $$l_{p} = 0,75 \bullet 10 \bullet 1,5/6 = 1,88\ м$$ ![Рисунок 1 -- Расчетная схема анкера: 1 - анкер; 2 - шайба; 3 - граница зоны возможного обрушения](.work/laba8_media/media/image1.png){width="3.3020833333333335in" height="4.068312554680665in"} Длина замковой части *l~з~* для железобетонных анкеров принимается в пределах 30...60 см. Общая длина анкера (с учетом выступающей из породы части анкера длиной *l~k~* = 10 см), м: $$l_{a} = l_{p} + l_{з} + l_{k}$$ $$l_{a} = 1,88 + 0,42 + 0,1 = 2,4\ м$$ Прочность закрепления замка анкера в породе *N* для железобетонных анкеров, кН, по формуле при диаметре стержня *d*~ст~ = 18 мм, и удельном сцеплении бетона с армирующим стержнем 45∙10^5^ Па $$N = 10^{- 3} \bullet \pi \bullet l_{з} \bullet d_{ст} \bullet \tau_{сц}$$ $$N = 10^{- 3} \bullet 3,14 \bullet 0,42 \bullet 0,018 \bullet 45 \bullet 10^{5} = 106,8\ кН$$ Предельное расстояние между анкерами по условию несущей способности замка (рис. 2), м $$a_{n} = \sqrt{N/\left( 15\rho \bullet l_{p} \right)}$$ $$a_{n} = \sqrt{106,8/(15 \bullet 2,0 \bullet 1,88)} = 1,38\ м$$ ![Рисунок 2 - Схема к расчету анкеров на заходку](.work/laba8_media/media/image2.png){width="5.604166666666667in" height="3.8870647419072615in"} Условие: *a~n~* ≤ *l~p~* выполняется Расчетная нагрузка на анкер составит, кН: $$P = 15\rho \bullet a^{2} \bullet l_{p}$$ $$P = 15 \bullet 2,0 \bullet {1,3}^{2} \bullet 1,88 = 95,3$$ где *a* -- принятое (откорректированное) расстояние между анкерами, м. Расстояние *а* корректируют с учетом того, чтобы оно было кратным длине заходки *l*~зах~. Диаметр стержня, см, анкера корректируют по формуле $$d = 2\sqrt{10P/\left( \pi \bullet R_{a} \right)}$$ где *R~a~* - расчетное сопротивление материала стержня анкера на растяжение, для стали *R~a~* = 225 МПа. Количество анкеров на заходку $$n_{a} = L_{a} \bullet l_{зах}/a^{2}$$ где *L~a~* -- периметр свода выработки, закрепленного анкерами. \*Параметры выработки принимаются в соответствии с расчетами в предыдущих работах. ---------------------------------------------------------------------------------------------- вариант Коэффициент Степень Выветриваемость Обводненность применение крепости трещиноватости породы --------- ------------- -------------------- ----------------- --------------- --------------- 1 8 Слаботрещиноватые Склонные к Сухие и влажные набрызгбетон с выветриванию анкерами 2 4 Трещиноватые Склонные к Сухие и влажные набрызгбетон с выветриванию арками 3 6 Нетрещиноватые Невыветриваемые Капеж и течи набрызгбетон с анкерами 4 6 Слаботрещиноватые Склонные к Сухие и влажные анкер выветриванию 5 8 нетрещиноватые Склонные к Сухие и влажные набрызгбетон с выветриванию арками 6 6 Трещиноватые Склонные к Капеж и течи анкер выветриванию 7 3 Трещиноватые Склонные к Сухие и влажные набрызгбетон с выветриванию анкерами 8 8 Слаботрещиноватые Склонные к Сухие и влажные анкер выветриванию 9 2 Сильнотрещиноватые Склонные к Сухие и влажные набрызгбетон с выветриванию арками 10 5 Нетрещиноватые Невыветриваемые Сухие и влажные анкер 11 8 Нетрещиноватые Склонные к Сухие и влажные анкер выветриванию 12 4 Слаботрещиноватые Невыветриваемые Капеж и течи набрызгбетон с арками 13 2 раздробленные Склонные к Сухие и влажные набрызгбетон с выветриванию арками 14 6 Слаботрещиноватые Склонные к Сухие и влажные набрызгбетон с выветриванию анкерами 15 7 Слаботрещиноватые невыветриваемые Сухие и влажные анкер 16 5 Трещиноватые Склонные к Сухие и влажные набрызгбетон с выветриванию арками 17 6 Нетрещиноватые невыветриваемые Сухие и влажные набрызгбетон с арками 18 8 Нетрещиноватые Склонные к Капеж и течи набрызгбетон с выветриванию анкерами 19 10 Нетрещиноватые Склонные к Сухие и влажные анкер выветриванию 20 6 Нетрещиноватые Склонные к Сухие и влажные анкер выветриванию ----------------------------------------------------------------------------------------------