Расчет опережающих защитных экранов из труб

6.1. При проходке выработок тоннелей в слабоустойчивых необводненных грунтах можно применять опережающие защитные экраны из труб (рис. 7, а, б). Для этого используют полые трубы, а также с бетонным или железобетонным заполнением, повышающим прочность и устойчивость трубы как тонкостенной пространственной конструкции.

6.2. Расчетом определяют, исходя из заданных величин нагрузок, внутреннего и наружного диаметров труб d_вн и d_н, предельной характеристики материала трубы R_р, соответствующих имеющимся номенклатурам труб, соотношение между величиной заходки l_зах и расстоянием между осями труб d.

6.3. Для определения параметров экрана, как ограждающей крепи, расчетную схему трубы принимают в виде стержня, один конец которого заделан в грунте, а другой опирается на обделку (см. рис. 7, б) под воздействием равномерно вдоль трубы распределенной нагрузки от давления вышележащих грунтов.

6.4. Выбор нагрузки производится для случая неустойчивых грунтов, когда сводообразование невозможно, по формулам

,

где γ_i - объемная масса грунтов с соответствующим слоем напластований;

H_i - толщина слоев напластований над выработкой, м;

φ_к - значение кажущегося угла внутреннего трения грунта вокруг выработки, град.

6.5. Для случая слабоустойчивых трещиноватых скальных грунтов, когда возможно сводообразование, нормативное вертикальное q^н и горизонтальное γ^н давление, МПа, определяют следующими выражениями:

q^н = k_pγh₁;

;

;

,

где k_p - коэффициент возможной перегрузки, определяемый по табл. 14 (см. п. 5.3);

L′ - пролет свода обрушения, м;

h₁ - высота свода обрушения, м;

θ - пролет выработки, м.

6.6. Трубы, расположенные в своде, рассчитывают на давление от нагрузки q^н, а трубы, расположенные в стенах выработки, - на давление от нагрузки р^н.

6.7. При определении расчетной величины длины трубы l₁ следует исходить из того, что слабоустойчивый грунт, расположенный в неподработанной части выработки, склонен к вывалообразованию со стороны забоя. При незакрепленном забое возможный вывал грунта по линии естественного откоса увеличивает расчетную длину трубы по сравнению с длиной заходки l на величину .

6.8. Расстояние между осями полых труб определяют из условия прочности

,

где - максимальный момент в сечении трубы;

- момент сопротивления сечения;

R_p - предельное напряжение в стали;

q^н и p^н - соответствующие расчетные давления на экран, принимаемые по пп. 6.5 и 6.6.

Рис. 7. Схема к расчету защитного экрана из труб:

1 - контур выработки; 2 - трубы; 3 - постоянная обделка; 4 - забой; 5 - линии скольжения

6.9. При расчете экрана из труб с бетонным заполнением необходимо исходить из условия прочности

M ≤ R^н_pW_T + R^c_pW,

где R^н_p - нормативное сопротивление бетона растяжению;

W = 2W_o - момент сопротивления сечения с учетом несущей способности бетона в запредельной области;

W_o - момент сопротивления сечения для упругого материала

,

M и W - определяют по п. 6.8.

6.10. Для удобства пользования описанными методами составлены номограммы (рис. 6), с помощью которых можно определять параметры экрана из труб с учетом воздействия столба грунта высотой и в пределах свода обрушения (см. рис. 8, а). Номограммы позволяют варьировать пролет выработки, коэффициент крепости грунта, длину трубы, ее внешний радиус и толщину.

6.11. Для более детального учета характеров взаимодействия труб и окружающего выработку грунта решены задачи о контактном взаимодействии защитного экрана из труб и грунта, где грунт моделировался упругой и упругопластической средами. При этом учитывались взаимное влияние труб и соотношения жесткостных параметров труб и грунта. Данный метод реализован в виде программ для ЭВМ (см. приложение 1).