laba8.md 29 KB
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).
{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^
{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.
{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.
{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
$$l{p} = 0,75B \bullet k{т}/f$$
$$l_{p} = 0,75 \bullet 10 \bullet 1,5/6 = 1,88\ м$$
{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
$$a{n} = \sqrt{N/\left( 15\rho \bullet l{p} \right)}$$
$$a_{n} = \sqrt{106,8/(15 \bullet 2,0 \bullet 1,88)} = 1,38\ м$$
{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