Определение несущей способности обделки на выбраном участке.

На участке с крепостью f=8 запроектирована верхний свод, опёртый на породу. Основные геометрические размеры: высота H=8,87м, толщина свода принимается равной, ширина B=9,6 м.

Марка бетона 300( класс В22.5), расчетное сопротивление: на растяжение – 9 кгс/см², на сжатие – 120 кгс/см².

Основные физико-механические характеристики горной породы: коэффициент прочности f=8, кажущийся угол внутреннего трения φ=80º, коэффициент упругого отпора к₀=400 кгс/см ², объемная масса грунта γ=2,5 т/м³.

Определение нормативных и расчетных нагрузок. Величину горного давления в зависимости от степени трещиноватости массива и коэффициента крепости принимаем в соответствии с теорией сводообразования М.М. Протодьяконова. Расчетная схема показана на рисунке 1. Из рисунка видно, что где В – пролет выработки; h - высота выработки; L - пролет свода естественного равновесия ; h1 - высота свода; H - глубина залегания выработки; qн - нормативное вертикальное горное давление; Pн - нормативное горизонтальное горное давление.   Собственный вес обделки определим по формуле: где G -вес сводчатой части обделки; Fобд=4.96м2 – площадь бетонной обделки. Определим расчётные нагрузки посредством умножения нормативных на коэффициенты перегрузки: Коэффициент упругого отпора в сводчатой части выработки: ; Коэффициент упругого отпора под пятой: ; ко =400 – коэффициент удельного отпора. Статический расчет обделки. Статический расчет обделки выполняется на ЭВМ по методу Метрогипротранса ( программа ПК-6). Этот метод предназначен для расчета конструкции произвольного очертания, расчетную схему которой можно представить в виде плоской стержневой системы. В основу расчетной схемы положены следующие допущения: · Плавное очертание оси обделки заменяются вписанным стержневым многоугольником переменной жесткости. · Распределенные внешние нагрузки заменяются сосредоточенными в узлах многоугольника усилиями. · Сплошная грунтовая среда заменяется отдельными упругими опорами, расположенными в вершинах многоугольника, перпендикулярно наружной поверхности обделки. · Силы трения, возникающие в пятах разомкнутой обделки, в расчетной схеме заменяются запретом перемещения узлов пяты по горизонтали   Проверка прочности обделки. После определения внутренних усилий (изгибающих моментов и нормальных сил) проверяют прочность бетонных сечений. Для этого вычисляют величину предельной нормальной силы NП, которую может воспринять данное сечение, и сравнивают её с величиной нормативной силы N, полученной при статическом расчете для этого же сечения. При этом должно соблюдаться условие NП > N. Проверку прочности тоннельной обделки проводим для наиболее загруженных сечений4 и 1. Стержень 4: бетонную обделку рассчитываем без учёта сопротивления растянутой зоны из предположения, что предельное состояние наступает в момент разрушения сжатой зоны бетона. Тогда продольная сила определяется по формуле: где m - коэффициент условия работы (m=0,9); k - коэффициент, учитывающий вид бетона ( k=1 ); Rпр - расчетное сопротивление бетона сжатию ( Rпр=900 тс/м2 ); b - ширина сечения ( b=1,00 м ); h - высота сечения ( м ); Производим проверку: Nп=207,7 т > N=17,89 т, условие выполняется, а значит прочность обделки обеспечена.   Стержень 1: бетонную обделку рассчитываем без учёта сопротивления растянутой зоны из предположения, что предельное состояние наступает в момент разрушения сжатой зоны бетона. Тогда продольная сила определяется по формуле: где m - коэффициент условия работы (m=0,9); k - коэффициент, учитывающий вид бетона ( k=1 ); Rпр - расчетное сопротивление бетона сжатию ( Rпр=900 тс/м2 ); b - ширина сечения ( b=1,00 м ); h - высота сечения ( м ); Производим проверку: Nп=121,3 т > N=20,48 т, условие выполняется, а значит прочность обделки обеспечена.     Эпюра моментов(т.м) Эпюра нормальных сил(т)

Участок тоннеля №1: грунт – порфирит слаботрещиноватый, f = 9.

Так как грунт относится к крепким, то при постройке тоннеля отпадает необходимость в немедленной после разработки грунта установки временной крепи. А её назначение сводится к предотвращению образования отдельных мелких вывалов и обрушения одиночных кусков грунта с кровли. При проходке данного участка тоннеля будем использовать способ сплошного забоя, для которого характерно наличие одной плоскости забоя, что упрощает использование для бурения шпуров буровых рам с тяжёлыми высокопроизводительными перфораторами, снабжёнными автоматическим управлением.

Основные работы при этом способе включают только два процесса (см. рис.4):

1) разработка грунта с последующей его уборкой;

2) бетонирование свода и нанесение набрызг-бетона.

Рис. 4. Проходка тоннеля в крепком грунте способом сплошного забоя

Участок тоннеля №2: грунт – суглинок тяжёлый, f = 0,8.

Так как грунт относится к слабым (I группа), то выработку раскрывают по частям (см. рис.5) с немедленным закреплением обнажённого массива временной крепью.

Рис.5. Схема очерёдности раскрытия элементов подземной выработки в слабых грунтах

Работы по проходке тоннеля в данном грунте будем проводить, используя способ опёртого свода. Данный способ предусматривает сооружение в первую очередь верхней части обделки – свода. Вначале проходят нижнюю штольню 1. Из неё при помощи вертикальных или наклонных ходков 2 открывают забой верхней штольни 3, на базе которой раскрывают верхнюю часть выработки – калотту 4. Затем разрабатывают грунт а средней штроссе 5 и в последнюю очередь – в боковых штроссах 6.

Участок тоннеля №3: грунт – пемза, f = 2.

Для проходки выработок в скальных грунтах с коэффициентом крепости от 2 до 4 при сооружении однопутного железнодорожного тоннеля применяется уступный способ (см.рис. 6).

Рис.6. Схема сооружения тоннеля уступным способом

Одновременно с проходкой калотты (1) на определённом расстоянии от её забоя производим разработку уступа на ширину пролёта выработки (3). Бетонирование обделки производится в два приёма: сначала свод (2) (вслед за проходкой калотты), затем стены (4) (вслед за проходкой уступа). Длину уступа принимаем равной 150 м.

Разработка полускальных и скальных грунтов с коэффициентом крепости ≥ 2 осуществляется буровзрывным способом. В курсовом проекте необходима детальная проработка проекта организации работ на участке с крепостью грунта f = 2. Как видно, грунт разрабатываем буровзрывным способом.

2.2.1. Определение параметров буровзрывных работ

В соответствии с геологическими условиями в качестве ВВ выбираем аммонит ПЖВ-20 со следующими характеристиками:

· плотность ∆ = 1,1 г/см³ = 1100 кг/м³;

· коэффициент работоспособности е = 1,2;

· диаметр патрона d_п = 36 мм.

Определим удельный расход ВВ с учётом его работоспособности по формуле:

,

где е - коэффициент работоспособности ВВ;

ψ - коэффициент влияния плотности заряжения;

ω - коэффициент структуры и трещиноватости грунтового массива;

S - площадь сечения забоя.

Определим линию наименьшего сопротивления (ЛНС) отбойных шпуров по формуле:

,

где k - коэффициент зажима;

d - диаметр шпура, м;

γ - объёмная масса грунта, кг/м³.

Так как при обуривании забоя будем применять мощные бурильные установки и тяжёлые бурильные машины, вруб принимаем прямым призматическим с расстоянием между врубовыми зарядами 25 см с устройством незаряженной скважины в центре.

Расстояние между отбойными шпурами принимаем равным a_о = 0,8 м (0,8÷0,95W₀), между подошвенными – а_п = 0,7 м (0,7÷0,9W₀), между контурными – а_к = 0,72 м (0,7W₀).

Вычисляем количество шпуров на забой по формуле:

,

где – количество контурных шпуров (P_к – периметр контура);

– количество подошвенных шпуров (P_п – периметр подошвы);

N_вр = 4 – количество врубовых шпуров;

Количество отбойных шпуров:

, где

– площадь сечения забоя, взрываемая отбойными шпурами, где

– площадь сечения забоя, взрываемая контурными шпурами (m ≈ 1 – коэффициент сближения контурных зарядов);

– площадь сечения забоя, взрываемая подошвенными шпурами;

S_вр = 0,3 м² – площадь сечения забоя, взрываемая врубовыми зарядами;

k_з – коэффициент заполнения шпура;

k_∆ = 1 – коэффициент уплотнения для патронированных ВВ.

Итого получаем:

N = 19 + 11 + 33 + 4 = 67 шпуров.

С учётом устойчивости кровли выработки длину комплекта шпуров назначаем равной l = 1,5 м. Тогда глубина заходки определяется по формуле:

,

где η = 0,85 – коэффициент использования шпура.

Объём взрываемой породы равен:

.

Ориентировочно расход ВВ на взрыв равен:

.

Масса всех контурных зарядов

,

где k_к – концентрация заряда контурного шпура.

Средняя масса зарядов остальных шпуров

.

Масса зарядов врубовых, отбойных и подошвенных шпуров:

;

;

.

2.2.2. Буровое оборудование

Для бурения шпуров в забое выработки будем применять бурильные машины БУ-1 на базе самоходной бурильной установки СБУ-2к. Количество одновременно работающих бурильных машин принимаем равным четырём из расчёта ≈ 8 м² площади обуриваемого забоя на одну бурильную машину, находящуюся на установке (две СБУ-2к).

Бурение вертикальных шпуров уступа осуществляем также самоходными бурильными установками СБУ-2к, так как высота уступа (3,2 метра) не превышает максимального хода подачи бура установки (4,0 метра).

Так как основными операциями проходческого цикла являются бурение шпуров в забое и погрузка взорванной породы, продолжительность цикла определяется по формуле:

,

где Т_б, Т_п, Т_всп – продолжительность операций бурения, погрузки и вспомогательных операций.

Продолжительность бурения определяется по формуле:

,

где N – число шпуров в забое;

l – средняя длина шпура;

φ – коэффициент использования бурильных машин во времени;

β – коэффициент одновременности работы бурильных машин;

n – число бурильных машин;

v_б – чистая скорость бурения шпура, пог. м шпура в час.

Чистая скорость бурения шпура определяется по формуле:

пог. м в час;

где k₁ – коэффициент, зависящий от типа бурильной машины;

k₂ – коэффициент, учитывающий влияние сжатого воздуха;

k₃ – коэффициент, учитывающий влияние диаметра головки бура;

k₄ – коэффициент, учитывающий глубину шпура.

Продолжительность погрузки взорванной массы грунта определится по формуле:

,

где W_з – глубина заходки за цикл, м;

S – проектная площадь сечения выработки, м²;

k_п – коэффициент перебора;

k_р – коэффициент разрыхления грунта;

Р_э– эксплутационная производительность погрузочной машины;

n – число погрузочных машин в забое;

β – коэффициент одновременности работы погрузочных машин.

Эксплутационная производительность определяется по формуле:

м³/ч ,

где φ – коэффициент использования машины;

Р_т – техническая производительность погрузочной машины;

t₁, t₃ – продолжительность простоя машины и различные потери времени, отнесённые к 1 м³ породы;

v – объём самосвала;

η – коэффициент заполнения самосвала.

Время на вспомогательные операции:

T_всп = T₁ + T₂ + T₃ + T₄ = 0,5 + 1,6 + 0,5 + 0,5 = 3,1 ч ,

где Т₁ – время на подготовительные операции;

– время на заряжение шпуров, где

N – число шпуров; l – средняя длина шпура; n – число заряжающих;

Т₃ – время на взрывание и проветривание;

Т₄ – время на прочие работы.

Тогда общая продолжительность цикла:

T_ц = 2 + 2 + 1,6 = 5,6 ч

На базе полученных данных построена циклограмма – графическое изображение последовательности работ. Полученная циклограмма представлена на втором листе чертежей.