ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗОК НА ОБДЕЛКИ ПРИ КАПИТАЛЬНОМ РЕМОНТЕ И РЕКОНСТРУКЦИИ ТОННЕЛЕЙ

В общем случае на обделку железнодорожных тоннелей воздейст­вует три типа нагрузок: основные, дополнительные и особые. К основ­ным относятся нагрузки от горного давления, собственного веса об­делки, гидростатического давления, а также веса подвижного состава проходящих поездов. Дополнительными нагрузками могут оказаться силы, возникающие в результате изменения температуры, усадки бе­тона при его твердении, давление на обделку при нагнетании раство­ра, монтажные нагрузки и т. п. Особыми являются нагрузки от воздей­ствия сейсмических сил.

Указанные нагрузки на тоннельные обделки определяются мето­дами, применяемыми при расчете подземных конструкций, на осно­вании действующих Строительных норм и правил в зависимости от инженерно-геологических условий, глубины заложения тоннеля, его размеров и ряда других факторов.

Однако следует иметь в виду, что действующие Строительные нор­мы и правила регламентируют порядок определения нагрузок лишь для вновь сооружаемых тоннелей, а для тоннелей, подвергающихся капитальному ремонту или реконструкции, условия формирования некоторых нагрузок имеют свои специфические особенности, которые должны быть учтены.

Многочисленные теории горного давления, основанные на различ­ных предпосылках, не дают исчерпывающего и достаточно надежного метода определения его величины. Это объясняется исключительным многообразием факторов, характеризующих условия равновесия гор­ных пород вокруг подземной выработки. Не всегда состоятельными оказываются суждения по аналогии и обобщению. Вопрос нередко еще более усложняется в связи с изменением свойств пород и общей геологической и гидрогеологической обстановки во времени, что часто происходит в процессе эксплуатации тоннелей.

Опыт реконструкции ряда тоннелей, а также исследования, проводимые в этом направлении (1) показывают, что формирование нагрузки на обделку тоннелей, подвергающихся реконструкции, носит явно выраженный двухстадийный характер. На первой стадии формирования горного давления нагрузки на вновь возводимую обделку определяются весом пород, отслоившихся от массива при первоначальном сооружении тоннеля. Повторное нарушение равновесного состояния при капитальном ремонте или реконструкции приводит к увеличению зоны обрушения и возрастанию нагрузки примерно в 1,3—1,4 раза на второй стадии формирования горного давления по сравнению с фактической величиной, отмеченной до начала работ по реконструкции, т. е. на первоначальной стадии.

Таким образом, окончательная нагрузка, действующая на вновь возводимую обделку при реконструкции тоннелей, может быть пред­ставлена в общем виде как

где q₁ — нагрузка на первой стадии формирования горного давле­ния, т. е. установившаяся при первоначальной эксплуата­ции тоннеля до его реконструкции, тс/пог. м; q_Д — дополнительная нагрузка, вызванная увеличением ради­уса зоны неупругих деформаций при реконструкции тонне­ля в случае максимально возможных смещений контура выработки, тс/пог. м; k_n—коэффициент, учитывающий величину смещений контура выработки.

При реконструкции тоннелей способами, исключающими возмож­ность смещения контура, коэффициент k_n равен нулю. Таким обра­зом, коэффициент k_n учитывает принятый способ производства работ при капитальном ремонте или реконструкции тоннелей и колеблется в пределах от 0 до 1. В качестве мероприятий, уменьшающих смеще­ние контура выработки, рекомендуется своевременное проведение нагнетания за обделку раствора, приготовленного на быстротвердеющем цементе, а также применение обделок из монолитно-прессованного бетона или набрызг-бетона.

При отсутствии экспериментальных данных величину горного дав­ления обычно определяют в соответствии с гипотезой проф. М. М. Про- тодьяконова или принимают равной весу всей толщи породы над шелыгой свода. Применение этих положений к скальным и полускаль­ным породам, в которых в большинстве случаев расположены горные железнодорожные тоннели, является весьма условным. Поэтому в данном случае более оправданным можно считать предложенный канд. техн. наук А. X. Будаевой метод определения нагрузок от горного давления, в основу которого положена гипотеза проф. К. В. Руппенейта, базирующаяся на решении упругопластической задачи о формировании горного давления.

В соответствии с этой гипотезой вокруг выработки появляются неупругие деформации, которые захватывают некоторую область, име­ющую повышенную трещиноватость. Зона повышенной трещиноватости отслаивается от основного ненарушенного массива горных пород и стремится обрушиться в выработку. Если не предотвратить вывалы разрушенной породы постановкой временной или постоянной крепи, размеры выработки увеличатся, что повлечет дальнейшее отслоение породы. В конечном итоге, вся выработка будет завалена разрушившейся породой.

Таким образом, нагрузка рассматривается как давление части массива горных пород, перешедших в стадию неупругих деформаций, и может быть определена по формуле ^[2]

где у—объемный вес (плотность), тс/м³; L — пролет выработки, м;

г — относительный радиус зоны неупругих деформаций, определяемый по формуле

где R — радиус зоны неупругих деформаций, м; R₀ — радиус или полупролет выработки, м.

Поскольку при реконструкции тоннеля реакция крепи практически отсутствует, так как при первоначальном строительстве тоннеля происходили значительные подвижки контура выработки, величину относительного радиуса зоны неупругих деформаций можно выразить следующей зависимостью:

где H—глубина заложения выработки, м;

Ф — угол внутреннего трения пород, град; с — сцепление по плоскостям ослабления, тс/м^[3].

Дополнительное увеличение зазоров между обделкой и породой при капитальном ремонте или реконструкции тоннелей приводит к увеличению области неупругих деформаций. Степень увеличения относительного радиуса зоны неупругих деформаций в значительной степени зависит от класса трещиноватости пород, поэтому его новое выражение в общем виде может быть записано так:

где г — относительный радиус зоны неупругих деформации, соот­ветствующий первой стадии формирования горного давле­ния (3), м;

k_т — коэффициент, учитывающий модуль n относительной трещиноватости пород в забое, %.

Модуль относительной трещиноватости принимают равным отно­шению пролета L выработки к расстоянию l между трещинами, т. е.

Классификация скальных пород по трещиноватости (по данным СибЦНИИСа) приведена в табл. 4.

Таблица 4

На основании экспериментальных исследований для определения величины kт (в %) была получена эмпирическая зависимость

в соответствии с которой можно определить k_т для пород, имеющих любой модуль n относительной трещиноватости.

Установившаяся на второй стадии формирования горного давле­ния нагрузка q₂ может быть выражена, исходя из зависимостей (2) и (4), в виде

где L₂ — пролет выработки при реконструкции тоннеля, м.

Имея в виду, что дополнительная нагрузка q_д в формуле (1) может быть представлена как

и проведя ряд преобразований, получим где L1 — пролет выработки до реконструкции тоннеля.

Таким образом, формула для определения окончательной нагрузки от горного давления при реконструкции тоннелей в соответствии с выражениями (1) и (9) имеет вид

Другая составляющая общей нагрузки, действующая на обделку — собственный вес конструкции, содержит элементы неопределенности. Здесь имеется в виду не только непостоянство объемных весов мате­риалов, но главным образом наличие переборов при образовании вы­работки, заполняемых материалом обделки. Эти переборы зависят от многих факторов, крайне изменчивы по размерам и степени рав­номерности размещения по периметру выработки. Так, при регламен­тируемых коэффициентах переборов k = 1,05 .. 1,15 вес обделки уве­личивается на 25 —40 %, что, безусловно, следует учитывать при определении величины нагрузки от собственного веса.

Значительное воздействие на тоннельную обделку оказывает ши­роко применяемое в практике ремонта и реконструкции тоннеля наг­нетание различных растворов под давлением в заобделочное пространство. Экспериментальные исследования показывают, что напряжения в обделке растут далеко не пропорционально величине давления нагнетания раствора. Это вполне закономерно, так как в результате нагнетания основная масса пустот за обделкой оказывается заполненной в самом начале процесса нагнетания и при последующем нагнетании раствора число и размеры площадок, на которые передается давление, уменьшаются. При расчете обделок на усилия, возникающие в процессе нагнетания растворов, величину давления необходимо умножать на коэффициент, учитывающий это уменьшение (табл. 5).

Таблица 5

В ряде случаев в практике капитального ремонта и реконструкции тоннелей приходится сталкиваться с необходимостью проходки над шелыгой свода обделки тоннеля специальной транспортной штольни, дающей возможность вести все работы без перерыва движения поез­дов. Опыт проходки подобных штолен показал, что в этом случае про­исходит значительное перераспределение нагрузок, действующих на тоннельную обделку. Это обстоятельство следует учитывать при составлении расчетных схем. В первом приближении схема влияния транспортной штольни на величину нагрузки от горного давления на тоннельную обделку показана на рис. 38, а схема нагрузок — на рис. 39.

Проходка выработки в зоне, отслоившейся от основного массива породы, приводит к изменению объема и соответственно веса поро­ды, участвующего в формировании величины горного давления. Это обусловливает в зависимости от соотношения между размерами тон-

Рис. 38. Схема формирования нагрузки от горного давления при наличии транс­портной штольни:

Рис. 39. Схема активных нагрузок от горного давления на тоннель­ную обделку при наличии транс­портной штольни: q и q1 — вертикальные составляющие нагрузки от горного давления на об­делку тоннеля соответственно в пре­делах оставшейся части ширины тон­неля и ширины транспортной штольни; е — горизонтальная составляющая на­грузки от горного давления

L и L1 — соответственно пролеты тоннеля и транспортной штольни; Ro и R1,0 - соответственно радиус и полупролет выработок тоннеля и транспортной штольни; R и Ri — соответственно радиусы зон неупругих деформаций, образовавшихся при проходке тоннеля и транспортной штольни; Д — расстояние от наружного контура обделки до низа транспортной штольни; h — высота транспортной штольни

неля, штольни и расстояния Д от наружного контура обделки до низа транспортной штольни (см. рис. 38), как правило, уменьшение наг­рузки на обделку в пределах ширины транспортной штольни и вы­зывает в ряде случаев существенное изменение величины и характера внутренних усилий в тоннельной обделке.

Величина нагрузки в пределах ширины L1 штольни может быть с учетом ранее приведенной зависимости определена по формуле

где h — высота штольни, м.

Приведенная формула справедлива в том случае, если свод обру­шения, образовавшийся при проходке транспортной штольни, не вы­ходит за пределы свода обрушения, образовавшегося при проходке самого тоннеля, т. е.

В противном случае величину нагрузки q₁ следует определять по формуле

и определяется в соответствии с выражением (3).

то ее влияние практически не сказывается на величине вертикальной нагрузки от горного давления, которую можно принимать равномер­но распределенной и равной величине q, т. е. в этом случае q1= q.

Горизонтальная составляющая активного горного давления в пре­делах ранее существенно нарушенных при проходке тоннеля пород, т. е., как правило, лишь в пределах верхнего свода, может быть опре­делена по известной из механики грунтов формуле

При этом угол ф внутреннего трения пород следует принимать с учетом происшедших изменений их физико-механических харак­теристик, т. е. с учетом их фактической раздробленности.

На участке стен необходимо учитывать реактивные силы упругого отпора породы.