Войти  |  Регистрация
Авторизация
» » Предварительный прогноз горного давления

Предварительный прогноз горного давления


Наиболее важный вопрос, решаемый при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях, — предварительное определение горного давления, имеющего большое значение для проектирования и постройки тоннелей. Под горным давлением обычно понимают давление прилегающих к крепи тоннеля горных пород.
Сложность геологических и гидрогеологических условий, встречающихся при сооружении тоннелей, а также ряд строительных и конструктивных факторов в значительной степени затрудняют прогноз горного давления и требуют поэтому детального анализа всего комплекса исходных данных. В качественном отношении горное давление может различаться по направлению его действия. Преобладающее значение имеет давление сверху вниз, затем боковое и, наконец, снизу вверх.
На горное давление оказывают влияние следующие факторы: размеры и форма очертания выработки, геотехнические свойства горных пород, водный режим массива, геологическое строение местности, способы ведения работ, скорость ведения работ, конструкция крепи.
Размеры и форма очертания выработки оказывают главное и решающее влияние на величину горного давления. Размеры выработки зависят от назначения тоннеля; это, естественно, затрудняет возможность их уменьшения. Что касается очертания подземного сооружения, то, рационально запроектировав его форму, можно уменьшить величину горного давления.
Теоретическими и экспериментальными работами, а также практикой тоннелестроения установлена рациональность выработки плавного очертания без входящих и выступающих углов, обычно вызывающих в них концентрацию напряжений. Так, в подвижных породах, оказывающих практически одинаковое со всех сторон давление на крепь (или обделку), приведенные рекомендации тем более необходимы. В подобных случаях наиболее выгодная форма обделки — круговая или эллиптическая.
К наиболее важным геотехническим свойствам горных пород, которые в значительной мере определяют характер и величину горного давления, можно отнести механическую прочность, сжимаемость, водопроницаемость и водостойкость. Свойства пород предопределяют как тип конструкции обделки и метод ее расчета, так и способы ее возведения.
Твердые породы отличаются высокой прочностью, малой сжимаемостью, малой водопроницаемостью и относительным постоянством этих показателей для водостойких пород (влага и химические процессы могут послужить причиной ухудшения свойств этих пород). В прочных или слабо поврежденных скальных породах горное давление обычно не проявляется. В разрушенных скальных породах возможно проявление горного давления, подобное условиям проходки в песках, а в зонах разложившихся пород проявления давления сходны с условиями проходки в глинах.
Напряженное состояние пород до проходки тоннелей относится к основным факторам, от которых зависит горное давление. В скальном массиве за вертикальную нагрузку принимают вес столба породы (или его части), расположенного над тоннелем. Горизонтальное давление, обычно меньшее вертикального, изменяется в широких пределах и зависит от физико-механических характеристик породы. В складчатых массивах горных пород горизонтальное давление по своей величине может приближаться к вертикальному в случае тектонической активности горизонтальных сил, вызвавших образование складок.
После проведения выработки равновесие в твердом массиве возможно даже при наличии небольших растягивающих напряжений (обычно в кровле и подошве выработки). В случае больших растягивающих напряжений возникают трещины на обнаженных поверхностях, а область высоких напряжений смещается в глубь массива. Горная порода создает давление на крепь в образовавшейся вокруг выработки нарушенной зоне. Для ограничения этой зоны необходима быстрая и плотная установка крепи. Переход твердых пород в пластичное состояние теоретически возможен при весьма большой величине всесторонних давлений. Хотя упругие свойства большинства этих пород различны в разных направлениях, все же в статических расчетах к породам этой категории можно применять законы теории упругости.
Разрушение неповрежденных скальных пород вследствие их раздавливания на применяемых для тоннелестроения глубинах совершенно исключено. В то же время в таких породах, находящихся в интенсивном напряженном состоянии, иногда обусловливаемом активно действующим горизонтальным давлением, вероятно проявление так называемого «стреляния» в виде отделения от забоя тонких пластин породы, увеличивающихся в объеме. При проходке тоннелей в этих условиях требуется применение временных или постоянных защитных крепей, плотно прилегающих к внутреннему контуру выработки.
При сооружении тоннелей в раздробленных породах проявляется так называемый арочный эффект, при котором на крепь давит своим весом только часть породы, ограниченная сверху ее естественным (породным) сводом. Вес вышележащих пород передается в виде реакций в пятах этого свода на боковые части выработки. В непосредственной близости от забоя образуется полукупол, имеющий дополнительную опору в плоскости забоя и, следовательно, принимающей на себя большую нагрузку на период выполнения проходческого цикла.
Сильнотрещиноватая и разбитая на блоки порода по своему воздействию на тоннель близка к разрушенной с крупными зернами, а химически разложившиеся (включая все изверженные и сланцы) приобретают свойства глии или их минеральных составляющих. В таких условиях тоннели можно располагать на отдельных участках, а при пересечении больших массивов химически измененных пород — на всем их протяжении.
Условия сводообразования над выработкой идентичны условиям трещиноватых и разбитых на блоки пород, но период самоудерживающего действия и нарастания горного давления в разложившихся породах продолжительнее, чем в раздробленных.
Подобные явления характерны и для осадочных глин, что объясняется сходством характерных для глинистых материалов свойств, таких, как низкая пористость и высокая сжимаемость.
Глинистые породы обладают значительным сцеплением и незначительным внутренним трением и могут восстанавливать нарушенную между частицами связь. Глины очень сжимаемы, деформация их протекает медленно, в пластичном состоянии они водонепроницаемы, влажность их колеблется в больших пределах.
Условия проходки в глинах могут изменяться в широком диапазоне от легких до очень тяжелых в зависимости от характера и степени уплотнения глины. Наихудшие условия создаются при проявлении оседания и пучения. Свойства глины зависят от количества в ней глинистых минералов (с размерами зерен менее 0,002 мм) трех разновидностей — каолинитов, иллитов и, наконец, монтмориллонитов, придающих глине свойство пучения.
Для проходки тоннелей наиболее существенны такие показатели глин, как: пучение, связанное со снятием нагрузки, соотношение между давлением и сопротивлением сдвигу, а также скорость изменения напряженного состояния, вызванного сооружением тоннелей.
Пучение обусловлено увеличением пористости и, следовательно, содержания воды и объема глины — как результат снятия нагрузки. В естественных пластах глина обладает свойствами прочного и даже хрупкого материала. Сопротивление таких глин срезывающим усилиям выражается значительными удельными нагрузками (2,2-4,3 кГ/см2).
Так как процесс проходки тоннелей в глине приводит к уменьшению ее давления (особенно по направлению наименьшего сопротивления, т. е. к выработке), то обычно это сопровождается выжиманием глины со стороны забоя. Такое явление связано с незначительным увеличением содержания воды и уменьшением сопротивления срезу, приводящими к размягчению глины. Скорость выжимания возрастет с увеличением длины незакрепленного участка тоннеля. Очевидно, что для уменьшения скорости выжимания необходимо уменьшать длину этого участка.
По мере развития процесса выжимания глины со всех сторон внутри выработки образуется так называемый породный цилиндр, воспринимающий часть давления от выжимания. Возникающее при больших давлениях отслаивание глины означает окончательную потерю ее прочности. Выжимание глины может быть практически приостановлено своевременной установкой (с тщательным расклиниванием) крепи, на которую будет действовать медленно возрастающее давление глины.
Таким образом, при разработках в глинах проявляются деформации упругие, вызываемые упругим расширением материала, и неупругие, вызываемые выдавливанием породы без изменения ее пористости. Первые протекают медленно, постепенно увеличивая давление на крепь, вторые быстро и при исключительной пластичности глин и отсутствии необходимых предохранительных мер могут привести к внезапным уменьшениям размеров выработки. В случае упругих деформаций необходимо ставить податливую или жесткую крепь с некоторым строительным зазором, заполняемым крупнозернистым материалом. При деформациях второго вида необходима прочная крепь с плотным прилеганием ее к породе. Для выбора соответственного решения необходим правильный учет всех конкретных условий.
Сыпучие породы (пески) обладают весьма малым сцеплением, их равновесие зависит главным образом от сил трения. Свойства этих пород меняются с изменением их влажности (от 0 до 40%). Пески малосжимаемы, деформации их проходят очень быстро, распределение напряжений подчиняется законам равновесия сил трения, зависящих главным образом от давления. Механическую прочность этих пород оценивают углом внутреннего трения.
В сыпучих породах после их разрыхления в процессе горных работ давление на крепь быстро уменьшается вследствие проявления сил трения при сдвигах. Это явление происходит всегда, так как даже небольших перемещений в массиве достаточно для перераспределения давления в породе. Крепь в таких породах должна быть жесткой; ее необходимо устанавливать с опережением проходки быстро и плотно без каких-либо выпусков породы в выработку во избежание образования пустот и внезапных вывалов породы.
Присутствие воды в песках резко ухудшает условия проходческой работы, так как вода уменьшает внутреннее трение в породе и приводит частицы песка во взвешенное состояние. В этих случаях необходимо применять специальные способы проходки, уменьшающие подвижность сыпучих пород. Необходимо иметь в виду, что свойства пород в природном виде часто имеют переходный характер.
В процессе горно-тоннельной выработки может нарушаться водный режим горного массива. Это обычно приводит к увеличению скорости фильтрации с возрастанием разрушительного физического и химического действия воды. Из-за размягчения водою (при повышенном ее притоке) некоторых связных и обломочных пород возникает значительное горное давление. С другой стороны, уменьшение напряжений вблизи контура выработки в глинистых породах увеличивает влажность. Вынос водою мелких взвешенных частиц сыпучих пород особенно опасен при обычном водоотливе. Постепенное разрыхление пород и связанное с ним снижение трения между частицами приводит к возрастанию горного давления.
Особенно существенным в условиях сурового климата может быть влияние водного режима на головные участки тоннелей, так как при замерзании воды, притекающей к обделке, может разрушиться последняя. Основные мероприятия по предотвращению опасного воздействия воды на тоннель могут быть сведены к созданию водонепроницаемых обделок, осушению массива, т. е. к максимальному сохранению существовавшего до проходки водного режима массива.
Горное давление зависит от целого ряда рассмотренных выше геологических явлений, в том числе и от тектонических. Теоретическая оценка влияния последних не может быть выполнена количественно; для этого необходимы натурные исследования.
Всякие нарушения в залегании пород наиболее неблагоприятны для тоннельных работ из-за значительной величины и несимметричного действия сил горного давления. При выборе направления трассы тоннеля последние обстоятельства являются решающими.
На величину горного давления оказывают большое влияние последовательность расширения выработки, метод разработки породы, нагнетание раствора, а также количество и характер пере-креплений. Так, по мере разработки трехсводчатых тоннелей (начиная с крайних) горное давление в зоне расположения среднего свода обычно значительно увеличивается. При проходке тоннеля горным способом одновременное раскрытие выработки до профиля свода в пределах нескольких колец может повлечь за собою резкое увеличение горного давления. Нагнетание раствора под давлением от 5 до 10 ати в целях заполнения пустот за обделкой и создания упругого отпора пород может существенно изменить характер и величину нагрузок, действующих на тоннельную обделку. Значительное количество перекреплений, недостаточная тщательность работ в неустойчивых породах тоже вызывает повышенное горное давление.
Сказанным достаточно ясно поясняется значение и влияние избираемого способа работ на величину расчетных нагрузок на конструкцию подземного сооружения.
Предварительный прогноз горного давления

Горное давление обычно проявляет себя постепенно (рис. 1.2), достигая максимальной величины P1 через некоторый промежуток времени t1 с последующим уменьшением до установившегося (расчетного) давления P2 вследствие приспособления массива и крепи (через промежуток времени t2) к новому состоянию силовых воздействий. Следовательно, постоянную обделку тоннеля необходимо возводить возможно скорее после проходки, т. е. до возникновения наибольшего горного давления, а при вдавливании щита и труб слепым способом не допускать значительных перерывов в работе. Основной же вывод таков, что скоростные способы работ позволяют лучше использовать происходящие явления в горном массиве.
Нагрузка на конструкцию подземного сооружения зависит от характера взаимодействия крепи (обделки) и окружающей породы. Давление от веса породы может рассматриваться распределенным между собственно конструкцией и горным массивом пропорционально их жесткостям, что подтверждено рядом опытов. Поэтому в горно-тоннельных проходках применяют так называемую податливую крепь, которая передает большую нагрузку на окружающую породу в том случае, если давление на крепь становится весьма большим и она начинает деформироваться. Подобным же образом в практику строительства тоннелей введены некоторые виды гибких конструкций с шарнирными соединениями отдельных элементов, а также обжимаемые в породу обделки из сборных элементов и монолитно-прессованные.
При умелом использовании указанных приемов можно уменьшить горное давление и улучшить работу конструкции подземного сооружения.
Добавлено Serxio 28-01-2016, 06:15 Просмотров: 968
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent