Одобрены Главтоннельметростроем

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

УТВЕРЖДАЮ

Зам. директора института

Г.Д. ХАСХАЧИХ

Марта 1984 г.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО РАСЧЕТУ ВРЕМЕННОЙ КРЕПИ
ТОННЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

Одобрены Главтоннельметростроем

Москва 1984

ПРЕДИСЛОВИЕ

Методические рекомендации разработаны в развитие глав СНиП по производству и приемке работ при строительстве (СНиП III-44-77) и проектированию (СНиП II-44-78) тоннелей, а также «Инструкции по применению анкеров и набрызг-бетона в качестве временной крепи выработок транспортных тоннелей» (ВСН 126-78); предназначены для проектировщиков и строителей транспортных тоннелей при выборе вида временной крепи и назначении ее основных конструктив-параметров.

Методические рекомендации разработаны кандидатами техн. наук В.Е. Меркиным, Д.И. Колиным, В.Ф. Сарабеевым, Л.Л. Старчевской, канд. физ.-мат. наук С.Ю. Хазановым, инженерами Л.А. Воробьевым, М.Е. Рыжевским (ЦНИИС), кандидатами техн. наук С.Н. Власовым и В.В. Чеботаевым (Главтоннельметрострой), инж. Р.И. Касаповым (Бамтоннельстрой), докторами техн. наук Н.С. Булычевым и Н.Н. Фотиевой (ТПИ), кандидатами техн. наук Д.М. Голицынским (ЛИИЖТ), Б.З. Амусиным (ВНИМИ), инж. Б.С. Кузнецовым (Норильский ГМК) при участии инж. Л.Н. Колиной (ЦНИИС).

Научное редактирование выполнено кандидатами техн. наук В.Е. Меркиным, Д.И. Колиным и В.В. Чеботаевым.

Предложения и замечания по работе просим направлять по адресу: 129329, Москва, ул. Кольская, д. 1, ЦНИИС, отделение тоннелей и метрополитенов.

Зав. отделением тоннелей и метрополитенов Л.С. Афендиков

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящие Методические рекомендации составлены с учетом соответствующих разделов СНиП II-44-78 «Тоннели железнодорожные и автодорожные» и СНиП III-44-77 «Тоннели железнодорожные, автодорожные и гидротехнические», «Инструкции по применению анкеров и набрызг-бетона в качестве временной крепи выработок транспортных тоннелей» (ВСН 126-78), «Инструкции по учету сейсмических воздействий при проектировании горных транспортных тоннелей» (ВСН 193-81) и предназначены для использования при составлении технической документации на производство работ по проходке и креплению транспортных тоннелей, железнодорожных и автодорожных, а также различных вспомогательных выработок (штолен, камер и т.п.). Рассмотрены применяемые в практике виды крепи - арочная, анкерная и набрызг-бетонная, а также их комбинации. Даны методы расчета опережающих защитных экранов из труб для проходки выработок в зоне неустойчивых грунтов.

Применение Методических рекомендаций должно способствовать обоснованному выбору оптимальной конструкции временной крепи, т.е. конструкции, обеспечивающей безопасное ведение работ и при этом наиболее экономичной для заданных горно-технических условий проходки.

1.2. В качестве источников для разработки Методических рекомендаций использованы результаты многочисленных экспериментальных исследований и опыт строительства тоннелей железнодорожных линий Абакан-Тайшет (1962-1965 гг.), тоннелей БАМа и тоннелей на Кавказе (1976-1983 гг.), теоретические разработки по оценке устойчивости грунтового массива с неподкрепленной и подкрепленной выработками, а также опыт проектирования крепи в других областях подземного строительства (гидротехнического, горно-добывающего и т.п.).

1.3. Развивая отдельные положения перечисленных выше документов (см. п. 1.1), настоящие Методические рекомендации определяют степень устойчивости массива с тоннельной выработкой и в зависимости от ее оценки предлагают соответствующие виды крепи (гл. 2). В Методических рекомендациях дается также сравнение вариантов крепи и оптимизация параметров паспорта временного крепления (гл. 7).

Для повышения общей эффективности строительства (учитывая, что крепь остается на период эксплуатации тоннеля) даются рекомендации по учету временного крепления в расчетах обделки (гл. 10).

1.4. Ориентированные на применение как в строительных, так и в проектных организациях настоящие Методические рекомендации содержат достаточно простые расчетные выражения в виде конечных формул и графиков, а также алгоритмы и программы для проведения на ЭВМ уточненных расчетов, в том числе основанных на методах механики сплошной среды.

1.5. Учитывая, что совершенствование методов расчета подземных конструкций предполагает более полный и строгий учет действующих факторов, в Методические рекомендации включены методики, позволяющие при наличии опытных данных оценить влияние обводненности и рельефа поверхности выработки на работу набрызг-бетонного покрытия (п. 4.8), степени упрочнения массива анкерами (п. 3.4). Наличие этих методик призвано также способствовать лучшему пониманию механизма взаимодействия горных пород с набрызг-бетонной и анкерной крепью.

1.6. Параметры крепи, выявленные расчетным путем, служат основой для составления паспорта временного крепления выработки. Паспорт крепления должен содержать чертеж выработки в двух проекциях с указанием основных размеров и инженерно-геологических условий, включая характеристику трещиноватости. На чертеже указывают:

геометрические размеры отдельных элементов и конструкции крепления в целом (например, длину, расположение анкеров и расстояние между ними, тип анкера и подхвата, размеры зазоров между крепью и оборудованием);

порядок крепления, срок выстойки раствора до начала очередной заходки;

схему конструкции деталей крепи с указанием всех ее размеров и спецификаций;

объемы работ и сведения о материалах для производства крепления;

основные данные для расчета крепи.

Паспорт крепления действителен только в тех инженерно-геологических условиях, для которых он составлен. При изменении условий паспорт должен быть пересмотрен в установленном порядке.

1.7. При определении параметров анкерной и набрызг-бетонной постоянной крепи предоставлена возможность учета сейсмических воздействий от землетрясений с помощью специальных программ для ЭВМ «УШИ-2» и «FAK-I» (см. п. 4.10, приложение 1).

1.8. В Методических рекомендациях использованы определения и условные обозначения, общепринятые в нормативной литературе по тоннелестроению и горному делу (приложение 2).

ВЫБОР ВИДА ВРЕМЕННОЙ КРЕПИ

2.1. Выбирать вид временной крепи необходимо в зависимости от инженерно-геологических и гидрологических условий строительства и способа проходки. Объем и состав инженерно-геологических изысканий следует определять в соответствии с «Инструкцией по инженерно-геологическим изысканиям для проектирования и строительства метрополитенов, горных железнодорожных и автодорожных тоннелей» (ВСН 190-78).

2.2. Основным горно-техническим фактором, определяющим выбор конструкции и технологии временного крепления, следует считать устойчивость горного массива, окружающего тоннельную выработку (по Н.С. Булычеву это - свойство горных пород сохранять форму и размеры обнажений, образуемых при проходке выработок, причем возможны три формы потери устойчивости: вывалообразование, разрушение в зонах концентрации напряжений и чрезмерные смещения поверхности выработки вследствие пластических деформаций).

2.3. Степень устойчивости пород определяется величиной комплексного показателя S (табл. 1).

где - коэффициент крепости пород по М.М. Протодьяконову (R_сж - прочность породы на сжатие);

K_M - коэффициент степени трещиноватости, принимается по табл. 2 в зависимости от величины относительной трещиноватости пород n , где θ - пролет выработки, B_T - среднее расстояние между трещинами.

При этом в зависимости от величины относительного коэффициента трещиноватости грунты следует относить:

при n > 60................................. к раздробленным

при 60 ≥ n > 25........................ к сильнотрещиноватым

при 25 ≥ n > 12........................ к трещиноватым

при 12 ≥ n > 6.......................... к слаботрещиноватым

при n < 6................................... к нетрещиноватым

K_N - коэффициент, зависящий от количества систем трещин и слоистости (см. табл. 2);

K_R - коэффициент шероховатости поверхности трещин (см. табл. 2);

K_W - коэффициент обводненности выработки (см. табл. 2);

K_A - коэффициент заполнения трещин (см. табл. 2);

K_α - коэффициент ориентации выработки относительно основной системы трещин (см. табл. 2);

K_t - коэффициент, учитывающий раскрытие незаполненных трещин (см. табл. 2).

2.4. Выбор вида временной крепи для различных условий проходки следует производить в два этапа: на первом, предварительном, ориентировочно выбирают виды крепи, возможные при данной степени устойчивости горных пород, на втором - по совокупности инженерно-технических факторов уточняют номенклатуру конкурирующих конструкций крепи.

2.5. Ориентировочный выбор крепи производят по табл. 3, в которой штриховкой отмечены виды крепи, возможные для применения в данных условиях.

Таблица 1

Комплексный показатель устойчивости S	Категория устойчивости грунта	Степень устойчивости грунта	Допустимое время обнажения выработки
≥ 70	I	Вполне устойчивый	Не ограничено
5-70	II	Устойчивый	До 6 мес.
1-5	III	Средней устойчивости	10-15 сут.
0,05-1	IV	Слабоустойчивый	Не более 1 сут.
≤ 0,05	V	Неустойчивый	Не допускается

2.6. Определение в конкретных условиях конкурентоспособных видов временной крепи производится по табл. 4, в которой двойной штриховкой отмечен предпочтительный, одинарной - допустимый виды временной крепи в зависимости от крепости, трещиноватости обводненности и выветриваемости горных пород.

Пример выбора крепи дан в приложении 3.

Выбор оптимального варианта крепления должен решаться на основе технико-экономического сравнения в соответствии с указаниями гл. 7.

Таблица 2

Относительный коэффициент трещиноватости	KM	Количество систем трещин	KN
Более 60	0,5-2,5		0,5-1
60-25	2,5-5
25-12	5-7,5	1 + слоистость
12-6	7,5-9
Менее 6	9-10	2 + слоистость
		3 + слоистость
		Раздробленная

Вид поверхности трещин	KR	Обводненность пород	KW
Прерывистые		Сухие
Неровные волнистые		Влажные	0,8
Ровные волнистые		Капеж	0,5
Зеркальные волнистые	1,5	Приток воды струями	0,3
Ровные плоские или без контакта
Зеркала скольжения	0,5

Раскрытие незаполненных трещин, мм	Kt	Наличие заполнителя трещин	KA	Ориентировка трещин относительно оси тоннеля, град.	Kα
		При наличии контакта стенок трещин	0,75-4	70-90
3-15		При отсутствии контакта	5-20	20-70	1,5
				0-20

Таблица 3

РАСЧЕТ АНКЕРНОЙ КРЕПИ

3.1. В общем случае эффект от применения анкерной крепи проявляется в том, что анкеры, заглубленные в ненарушенную часть горного массива, с одной стороны, как бы подвешивают грунт в зоне возможного обрушения, предотвращая тем самым отдельные вывалы, а с другой стороны - «сшивая» отдельные грунтовые блоки и слои, омоноличивают нарушенную проходкой зону грунтового массива, превращая ее в несущую конструкцию.

Кроме того, в процессе совместного деформирования с массивом в анкерах возникают дополнительные усилия, которые изменяют напряженно-деформированное состояние грунта вокруг подкрепленной выработки, по сравнению с неподкрепленной, повышая тем самым степень его устойчивости и снижая смещение поверхности выработки.

3.2. Предварительное назначение основных параметров анкерной крепи (рис. 1), исходя из гипотезы подвешивания зоны возможного обрушения к ненарушенным грунтам и согласно требованиям инструкции по временному креплению, следует производить в следующем порядке:

определение расчетной (рабочей) длины анкера l_р;

определение длины части анкера, заглубленной в ненарушенный грунт (замковой части) l_з;

определение предельного расстояния между анкерами по прочности закрепления заглубленной части (замка) d;

выбор диаметра стержня d_ст.

Рис. 1. Основные параметры анкерной крепи:

1 - анкер; 2 - подхват; 3 - граница зоны возможного обрушения; d - межанкерное расстояние; l_к - длина концевой части анкера; l_р - рабочая длина анкера; l_з - длина замковой части; Н - высота выработки; L - ширина выработки

3.3. Расчетную длину анкера l_р следует назначать не менее чем высота зоны возможного обрушения L, принимаемая на основании опыта строительства в аналогичных инженерно-геологических условиях.

При отсутствии опытных данных расчетную глубину зоны возможного обрушения следует определять по формуле

,

где K_T - коэффициент учета трещиноватости скальных грунтов, принимаемый здесь равным:

для слаботрещиноватых грунтов.............. 1

для трещиноватых...................................... 2

для сильнотрещиноватых.......................... 2,5

Если коэффициент крепости грунта f определен с учетом трещиноватости, то K_T = 1.

В неустойчивых грунтах типа аргиллитов должно удовлетворяться условие

l_р ≥ 0,5 θ (z - 1),

где z - относительная величина, принимаемая в зависимости от глубины заложения тоннеля H и предела прочности грунта на сжатие σ_к по номограмме (рис. 2).

Рис. 2. Номограмма для определения величины z в зависимости от глубины заложения тоннеля

3.4. При использовании крепи из сталеполимерных анкеров (СПА) выбор закрепляющего состава и расчет конструкции рекомендуется вести в соответствии с данными табл. 5.

3.5. Расчетное сцепление τ_сц для цементно-песчаных растворов без ускорителей твердения следует принимать:

а) при глиноземистом цементе марок 400-500........ 45 кг/см² в возрасте 48 ч и более;

б) при портландцементе марок 400-500................. 45 кгс/см² в возрасте 72 ч и более.

3.6. Расчетную величину прочности закрепления заглубленной части необходимо корректировать натурными испытаниями согласно методике, приведенной в ВСН 126-78.

3.7. Предельное расстояние между анкерами α по прочности закрепления замка N следует определять по формуле

,

где γ - плотность горной породы, т/м³.

3.8. Ориентировочно выбранный диаметр стержня анкера необходимо корректировать по формуле

,

где P = 1,5 γα²L,

R_α - расчетное сопротивление материала стержня принимают согласно указаниям главы СНиП по проектированию бетонных и железобетонных конструкций.

3.9. Для нетрещиноватых, слаботрещиноватых и трещиноватых скальных грунтов с одной системой трещин, где возможно определенное омоноличивание грунтовых блоков анкерами, крепь рекомендуется рассчитывать по гипотезе образования несущей конструкции из окружающих выработку грунтов (рис. 3). Представляя эту конструкцию в виде породной балки, следует пользоваться соотношением, связывающим длину анкеров l_α и расстояние между ними (межанкерное расстояние) α:

где

- угол влияния анкера;

q и λ - соответственно интенсивность вертикального давления и коэффициент бокового давления, определяемые согласно требованиям СНиП по проектированию тоннелей;

l_α = l_р + l_з - длина расположенной в грунте части анкера, м;

, тс/м².

Здесь H - высота выработки, м;

σ_р - предел прочности грунта на растяжение, кгс/см², для отдельных типов грунтов, данный в табл. 6;

φ - угол внутреннего трения грунта, град.

Рис. 3. Схема несущей породной конструкции, образуемой вокруг выработки с помощью анкеров:

1 - анкер; 2 - несущая породная конструкция; θ - угол влияния анкера; l_α - длина анкера

3.10. При установке анкеров непосредственно возле забоя сразу после обнажения выработки в стержнях возникают дополнительные усилия, связанные с взаимовлияющим деформированием крепи и грунта, для определения которых составлена программа для ЭВМ «Анкер-контакт» (см. приложение 1). При этом учтены взаимное влияние анкеров, место и время их установки, ползучесть окружающего выработку грунта.

Таблица 5

Компоненты	Содержание, массовые части	Область эффективного использования	Скрепляемый материал	Удельное сцепление состава, МПа, в возрасте, ч
при 0 °С	при 7 °С	при 20 °С
Олигоэфиракрилат (МГФ-9)		Для грунтов устойчивых и слабой устойчивости, нетрещиноватых и слабой трещиноватости, сухих с температурой от 0 °С и выше и крепостью f ≥ 2 по Протодъяконову	С металлом		1,4	2,0	9,7	0,7	2,3	3,4	9,9	1,2	2,8	3,5	10,2
Паста перекиси бензоила (ПБ)	0,5÷20	С бетоном		0,8	1,3	8,1	0,2	0,8	1,7	8,3	0,6	1,1	-	9,4
Диметиланилин (ДМА)	0,5÷7	С грунтом (известняк)		0,8	1,4	9,0	0,4	1,2	2,3	9,0	0,8	1,6	-	-
Сульфат бария (BaSO4)	30÷80
Наполнитель (шлак)	10÷150
Ненасыщеная полиэфирная смола		Для грунтов устойчивых и слабой устойчивости, слабой и средней трещиноватости, обводненных c температурой от минус 5 °С и выше и крепостью f ≥ 2 по Протодъяконову	С металлом		1,5	2,0	13,2	0,8	2,3	3,6	13,2	1,2	3,0	4,3	13,3
Паста перекиси бензоила	0,5÷20	С бетоном		0,8	1,4	10,9	0,2	1,0	1,8	11,1	0,6	1,3	2,5	11,2
Диметиланилин	0,5÷7	С грунтом		0,9	1,8	11,2	0,6	1,3	2,7	11,8	0,8	1,8	2,9	12,2
Сульфат бария	30÷80
Наполнитель	10÷150
ПАВ	10÷50
Форполимер с концевыми изоциакатными группами		Для грунтов слабой устойчивости, трещиноватых и сильнотрещиноватых, сухих и обводненных с температурой от минус 5 °С и выше с крепостью f ≥ 2 по Протодъяконову	С металлом	-	-	-	7,4	-	-	1,3	8,0	-	-	1,7	8,0
0,5-10 %-ный йодный раствор 2,4,6- триедиметиламинометилфенола	10÷15	С бетоном	-	-	-	8,0	-	-	1,8	8,5	-	-	2,3	8,7
Аэросил	30÷10	С грунтом	-	-	-	8,1	-	-	1,8	8,4	-	-	2,4	8,8
Гипс	20÷150

Таблица 6

п/п	Горные породы	Предел прочности на растяжение σр, кгс/см2
	Порфирит
	Габбро-диабаз	139-160
	Базальт	90-190
	Алевролит	80-120
	Известняк
	Аргиллит	46-71
	Песчаник	44-80
	Сланец

3.11. При определении усилий в анкерах следует учитывать следующие факторы, связанные с использованием крепи этого вида: если анкеры установлены на стадии проходки опережающей штольни (пилот-тоннеля), то усилие в (1 + K_y) больше, чем когда анкеры устанавливают при полном раскрытии сечения.

,

где R_ш и R - приведенные по площади поперечного сечения радиусы опережающей штольни и выработки ;

при коэффициенте бокового давления λ < 0,3 для повышения эффективности крепления в боках выработки рекомендуется устанавливать предварительно напряженные анкеры; при установке анкеров непосредственно после раскрытия выработки ползучесть окружающего выработку грунта приводит к увеличению усилий в стержнях, при установке же через время, соизмеримое со временем стабилизации ползучести, усилия в предварительно напряженных анкерах падают, что связано с ползучестью грунта под опорным элементом и в замковой части.

РАСЧЕТ АРОЧНОЙ КРЕПИ

5.1. Параметры конструкции арочной крепи следует определять из условий прочности и устойчивости при действии расчетных нагрузок от давления горных пород (первая группа предельных состояний).

5.2. Величину и характер распределения нагрузок на арку следует принимать по результатам измерений в условиях строящегося тоннеля или в аналогичных условиях. При отсутствии указанных данных нагрузки определяют в зависимости от возможности образования свода обрушения или отдельных вывалов, если исключена возможность давления полного столба налегающих пород.

Для скальных грунтов (коэффициент крепости в куске f ≥ 4) нормативные нагрузки следует принимать в зависимости от трещиноватости грунтов в соответствии с табл. 13.

Для нескальных и сильнотрещиноватых и раздробленных скальных грунтов интенсивности нормативных вертикальной и горизонтальной равномерно распределенных нагрузок (соответственно q_н и P_н) следует определять по формулам:

;

;

где φ_к = arctg f - кажущийся угол внутреннего трения в грунте.

Таблица 13

Трещиноватость грунтов	Интенсивность нагрузки, МПа	Варианты загружения
Слаботрещиноватые	qн = 0,28γθ Pн = 0
Трещиноватые	qн = 0,54γθ Pн = 0,136γ

Если приведенная высота свода обрушения или возможного вывала превышает половину расстояния от шелыги свода до поверхности или до слоя слабых неустойчивых грунтов, то интенсивность нормативных вертикальной и горизонтальной равномерно распределенных нагрузок следует определять по формулам:

;

где γ_i - объемный вес грунта i-го напластования;

H_i - толщина i-го напластования;

n - число напластований;

φ_к - кажущийся угол внутреннего трения грунта в окрестности выработки.

5.3. Расчетные нагрузки следует определять путем умножения величины нормативной нагрузки на коэффициент возможной перегрузки, принимаемый по табл. 14.

Таблица 14

Нагрузка от горного давления	Возможные вывалы в грунтах	Образование свода разрушения	Полный столб налегающих грунтов
размокаемые и выветриваемые	неразмокаемые и невыветриваемые
Вертикальная	1,3	1,0	1,3	1,0
Горизонтальная	1,3	1,0	1,5	1,1

5.4. Статический расчет арок производят по схеме воздействия указанных нагрузок на криволинейный стержень в винклеровской среде, обладающей упругим отпором одностороннего действия.

Коэффициент упругого отпора грунта K при расчете арок рекомендуется принимать постоянным по всему контуру выработки, за исключением пят арок. Его величину определяют по данным испытаний (штамповых или прессиометрических) или по аналогии. При этом следует учитывать наличие забутовки между аркой и поверхностью выработки с помощью соотношения

K = εK_o,

где K_o - известный коэффициент отпора для данных условий;

ε - коэффициент, учитывающий толщину забутовки r_к, определяемый в соответствии с рис. 5.

Рис. 5. Зависимость коэффициента ε от толщины забутовки r_к

Коэффициент упругого отпора грунта под пятами арок K_n определяет по формуле

,

где L_α - полная длина арки;

B_п - ширина подошвы пяты арки.

При известном модуле деформации массива горных пород Е_о и коэффициенте Пуассона ν коэффициент отпора определяют по формуле

,

где - приведенный радиус выработки;

S_c - площадь поперечного сечения выработки.

5.5. Статический расчет арки временного крепления следует производить для каждого возможного в данных условиях варианта загружения на единичную вертикальную нагрузку q_o = 1 и соответствующую ей горизонтальную нагрузку . В качестве расчетной схемы необходимо принимать схему с шарнирами в пятах, наличие других шарниров определяют конструкцией арки.

В результате статического расчета должны быть определены величины нормальных сил N_i и изгибающих моментов M_i от единичной нагрузки в каждом i-м сечении арки.

5.6. Расчетным состоянием конструкции арки следует считать такое, при котором одно из ее сечений переходит в предельное состояние от воздействия нормальной силы и изгибающего момента при постоянном эксцентриситете нормальной силы в сечении.

5.7. Предельное состояние сечения стальной арки надлежит определять согласно требованиям главы СНиП по проектированию стальных конструкций (см. приложение 2).

Несущую способность i-го сечения следует определять решением относительно величины следующего уравнения

,

где F_i - площадь i-го поперечного сечения арки;

W_i^пл - пластический момент сопротивления i-го сечения арки (для двутавра W_i^кр = 1,12W_i, где W_i - упругий момент сопротивления);

R_α - предел прочности материала арки.

Максимальная вертикальная нагрузка, которую способна нести арка q_max определяется max q = min q_i (i = 1, 2, 3, ..., n).

5.8. Шаг арок α определяют из соотношения

,

где q_p - расчетная нагрузка для данных условий нагружения.

Пример расчета арочной крепи приведен в приложении 4.

5.9. При проектировании арочно-анкерной крепи (рис. 6) длину анкеров следует выбирать ориентировочно по п. 3.3 настоящих Методических рекомендаций таким образом, чтобы она превосходила глубину зоны возможного обрушения.

Рис. 6. Схема арочно-анкерной крепи:

1 - анкер; 2 - граница зоны возможного обрушения; 3 - забивка; 4 - забутовка; 5 - арка

Упругие опоры в расчетной схеме, моделирующие контакт с грунтом, следует совмещать с местами установки анкеров, причем жесткости опоры в направлении от выработки определяют согласно п. 5.4, а внутрь выработки по формуле

,

где E_α - модуль упругости материала анкера;

F_α - площадь сечения анкерного стержня;

l_c - свободная (до замка) длина анкера.

Пример расчета параметров арочно-анкерной крепи приведен в приложении 5.

5.10. Анкер-набрызг-бетонную или арочно-бетонную крепь следует рассчитывать на нагрузки соответственно п. 5.2 с учетом полной величины упругого отпора K_o.

Требуемую толщину бетона или набрызг-бетона определяют по п. 4.5. Методы расчета оптимальных параметров конструкции арочно-набрызг-бетонной крепи приведены в гл. 7, а пример расчета - в приложении 6.

5.11. Статическую работу бетона или набрызг-бетона временной крепи следует учитывать в расчете постоянной обделки. Для статического расчета арок временного крепления составлена программа для ЭВМ (см. приложение 1).

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

ПРИМЕР ВЫБОРА ВИДА КРЕПИ

1. Исходные данные.

Выработка пройдена в массиве пород с коэффициентом крепости f = 8. Пролет выработки 4,5 м; среднее расстояние между трещинами наиболее развитой системы 0,1 м (n = 45). В массиве имеется три системы трещин. Трещины ровные, плоскости заполнены измельченной породой. Породы влажные. Угол между осью выработки и наиболее развитой системой трещин 60°.

2. Определение комплексного показателя устойчивости. Составляющие коэффициенты (см. табл. 2) равны: K_M = 3,5; K_N = 9; K_R = 1; K_W = 0,8; K_t = 1; K_A = 2; K_α = 1,5.

Величина комплексного показателя устойчивости S = 0,83 согласно табл. 1. Породы можно классифицировать как неустойчивые.

3. Определение вида крепи.

Согласно табл. 3 в данных условиях могут быть применены три вида крепи: анкеры с набрызг-бетоном; арки с набрызг-бетоном или арки c набрызг-бетоном, усиленные анкерами.

Оценка трещиноватости породы, выражаемая величиной n = 45, и характер заполнения трещин допускает эти же виды крепи (см. табл. 4). Однако сравнительно высокий коэффициент крепости f = 8 делает предпочтительной анкерную крепь из распределенных анкеров железобетонных или сталеполимерных с набрызг-бетоном.

Приложение 4

ПРИМЕР РАСЧЕТА АРОЧНОЙ КРЕПИ

Требуется определить шаг арок из 1 № 27 временной крепи с деревянной затяжкой в однопутном железнодорожном тоннеле (пролет θ = 6,6 м, высота 8,6 м) в грунтах крепостью f = 2, коэффициент отпора K = 40 кг/см³.

В результате расчета по программе «RAK» (см. приложение 1) получаем шаг арок α = 0,71 м; наиболее напряженное сечение находится в шелыге свода арки, шаг продольных связей 1,5 м, толщина затяжки 5,4 см, наиболее невыгодное загружение 2 (табл. 13) (с уменьшенной боковой нагрузкой).

Приложение 5

ПРИМЕР РАСЧЕТА АРОЧНО-АНКЕРНОЙ КРЕПИ

Требуется определить шаг арок из 1 № 33 для временной крепи двухпутного железнодорожного тоннеля (пролет θ = 11 м, высота 9,4 м) в трещиноватых скальных грунтах (f = 4) с коэффициентом отпора 60 кг/см³ при закреплении каждой арки по своду 4 анкерами (в пятах свода и в зоне максимального отрицательного момента) α = 16 мм, длиной 2,4 м.

Для задания исходных данных вычисляем жесткость анкера E_αF_α / L_α = 2,1 · 10⁶ · π · 1,6² / 4 · 210 = 2 · 10⁴ кг/см.

Расчет по программе «RAK» приводит к шагу арок α = 0,49 м, шаг продольных связей 1,5 м, толщина затяжки 5 см, максимальные усилия в анкерах пяты 7,3 т и 10,6 т, в анкерах свода - 18,8 т. Исходя из максимальных усилий, диаметры стержней анкеров необходимо увеличить до 22 мм в пятах и поставить спаренные анкеры в своде.

Приложение 6

ПРИМЕР РАСЧЕТА АНКЕР-НАБРЫЗГ-БЕТОННОЙ КРЕПИ

Выработка (пролет θ = 10,97 м, высота 7,77 м) заложена в грунте f = 5 ÷ 8, γ = 2,6 тс/см³, на глубине H_з = 200 м. Угол внутреннего трения φ = 0,785 рад, предельное напряжение растяжению грунта в куске σ = 400 тс/м². Удельное сцепление анкерного стержня с цементным раствором τ_си = 450 тс/м². Предельное напряжение сжатия R^с_пр = 115 кгс/см².

Предлагается определить параметры конструкции анкер-набрызг-бетонной крепи описанной выработки.

Расчет по формулам глав 3, 4 и 7 рабочей длины анкера l_р, полной длины l, межанкерного расстояния α и необходимой толщины покрытия из набрызг-бетона сведен в таблицу.

f	lр, м	l, м	α, м	h, мм
	2,47	2,8	1,0
	2,06	2,5	1,1
	1,77	2,4	1,1
	1,55	2,4	1,2

Далее проверяется прочность крепи.

Определенные по программе «Анкер-контакт» (см. приложение 1) ожидаемые усилия взаимодействия анкера и раствора 7,1 кгс/см², меньше предельных 45 кгс/см².

Так как контур поперечного сечения имеет неровности, средняя амплитуда которых α = 25 см, а число по контуру n = 6, то необходимо проверить условие удовлетворительной работы (см. п. 4.8).

Толщина покрытия примет значение h = 5 см; приведенный радиус выработки R = 500 см,

.

Покрытие из набрызг-бетона, нанесенное у забоя в процессе проведения выработки, испытывает напряжение сжатия. Определив напряжения σ с помощью программы приложения 1, получим

.

Приложение 7

НОМОГРАММЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННОЙ КРЕПИ

Рис. 1. Пролет выработки (θ = 3 м)

Наши рекомендации