§ 18. ТЕОРИИ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ (ч. 2)

В реальных условиях горное давление зависит от обводненности кровли, жесткости крепи, продолжительности периода от раскрытия выработки до установки крепи, тщательности крепежных работ, времени пребывания выработки на временной крепи до устройства постоянной обделки и ряда других факторов.

В этом смысле можно говорить о возможности влияния на процесс развития и окончательную величину горного давления путем рациональной организации проходческих работ.

Условием возможности применения формулы (10) является наличие над выработкой достаточно мощного несущего свода, способного выдержать нагрузку от веса вышерасположенных слабых пород. Практически считают возможным пользоваться формулой (10), если толщина несущего свода, отсчитываемая от дневной поверхности или от низа пласта слабых пород, равна или больше высоты свода давления. В сомнительных случаях (выработки больших пролетов, значительная толщина слабых пород над несущим сводом) прочность несущего свода должна быть проверена расчетом. При недостаточной прочности несущего свода горное давление на тоннельную обделку определяется полным весом вышележащего столба горных пород.

В начальной стадии проектирования величину коэффициента крепости породы можно принимать по табл. 4. При детальном проектировании рекомендуется определять коэффициент крепости или непосредственно горное давление одним из экспериментальных методов, изложенных ниже (см. § 19).

Теория проф. М.М. Протодьяконова основана на предположении, что свод давления, образующийся над выработкой, располагается в толще однородных пород. В действительности скальные породы, в которых наиболее часто сооружаются тоннели, как правило, являются более или менее трещиноватыми и могут рассматриваться как однородные в исключительных случаях.

Исследования ЦНИИСа Минтрансстроя показали, что не только интенсивность, но и характер распределения горного давления по контуру выработки в значительной степени зависят от степени трещиноватости породы и расположения трещин в пространстве относительно оси тоннеля.

Лишь в раздробленных скальных породах горное давление проявляется, как в сыпучей среде, т.е. действует и вертикально, и горизонтально. В остальных случаях (см. табл. 3) возникает несимметричное горное давление.

В глинистых породах, представляющих собой грунтовую массу, образование выработки вызывает длительные гидродинамические процессы. Первоначальное давление, снятое по контуру выработки при ее раскрытии, заменяется капиллярным давлением воды, содержащейся в порах грунта, которое поддерживает равновесие породы. Однако при этом в сторону выработки начинает действовать гидродинамическое давление, постепенно вызывающее падение капиллярного давления воды и набухание глины. Поэтому необходимо считаться с возможностью восстановления первоначального напряженного состояния вокруг тоннельной обделки.

Результаты измерений, проведенных ЦНИИСом, показали, что горное давление в глинах значительно превышает давление, соответствующее теории сводообразования, хотя и не достигает величины, равной весу всего столба пород, расположенных над тоннелем. В связи с этим при заложении тоннеля в глинах, а также в особо сложных геологических и гидрогеологических условиях окончательное горное давление целесообразно определять на основе исследований, проведенных в данных или аналогичных условиях.

Оценка горного давления по теории М.М. Протодьяконова в этих случаях возможна лишь при расчете временной крепи, поддерживающей контур выработки до возведения постоянной обделки. При этом необходимо учитывать, что интенсивность давления является функцией времени и, если период пребывания выработки на временной крепи непродолжителен, горное давление не успеет достигнуть максимальной интенсивности, определяемой по формуле (10).

При проходке двух параллельных выработок (рис. 36) следует располагать их на таком расстоянии L друг от друга, чтобы своды давления отдельных выработок не пересекались, а ненарушенный массив породы между выработками (целик) мог бы надежно выдержать вес столба породы шириной L. В противном случае над выработками возможно образование общего свода с соответствующим увеличением вертикальной нагрузки.

Горное давление при параллельных выработках
Рис. 36. Горное давление при параллельных выработках
Давление в подошве выработки
Рис. 37. Давление в подошве выработки

В слабых породах, кроме вертикального и бокового давления, возможно давление в подошве снизу вверх (так называемое дутье).

Причиной дутья может быть увеличение объема породы под влиянием химических или молекулярных воздействий или выпирание породы из-под стен обделки. Явление выпирания проанализировано проф. П.М. Цимбаревичем, предложившим методику определения величины давления выпирания.

Под действием активной нагрузки, передающейся на свод, и веса конструкции в подошвах стен возникают напряжения, среднее значение которых равно q (рис. 37). За пределами обделки в том же уровне действует давление q0. Если вертикальное давление определяется с учетом сводообразования, то q0 > q. Можно считать, что в плоскости подошвы стен действует давление q0.Если расчет обделки ведется на полный столб породы, напряжение под стенами будет больше q0 и в расчет лучше вводить q.

Система вертикальных напряжений, действующих в уровне подошвы стен, вызывает активное боковое давление Eа, стремящееся сдвинуть частицы грунта, расположенные по вертикали ОА, в сторону выработки. Этой тенденции противодействует отпор породы рп, действующий в противоположном направлении. При малых заглублениях относительно подошвы стен преобладает активное давление и частицы породы сдвигаются в сторону выработки. На глубине х0 активное и пассивное давление уравновешиваются. Глубина зоны распространения сдвигов определяется из равенства ра = pп.

Неравенство для определения глубины зоны распространения сдвигов,

где φн — нормативный угол внутреннего трения грунта.

Отсюда

Глубина зоны распространения сдвигов.
(11)

Равнодействующая Еa активных давлений, стремящихся сдвинуть расположенную выше уровня х0 призму грунта внутрь выработки, превышает равнодействующую Еп пассивного отпора, препятствующую этому смещению.

Выпирание призмы происходит под влиянием горизонтальной силы

F =ЕаЕп.
(12)

Раскладывая силу F на два направления (параллельное плоскости выпирания и составляющее с нормалью к ней угол трения), получим

Силу параллельная плоскости выпирания.
(13)

Вертикальное давление на обратный свод оказывает сила

Вертикальное давление на обратный свод.
(14)

Действие силы N эквивалентно действию нагрузки, распределенной по верхней поверхности призмы выпирания, т.е.

.
(15)

Полное вертикальное давление на обратный свод определяется как сумма давлений от обеих призм выпирания.

Волков В.П., Наумов С.Н., Пирожкова А.Н., Храпов В.Г. Тоннели и метрополитены