§ 19. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ (ч. 2)

Для измерения контактных напряжений по контуру обделки применяют так называемые мессдозы или датчики давления, действие которых может быть основано на разных физических принципах. Мессдозы, установленные по контуру выработки, показывают значения нормальных составляющих давления, действующего на обделку. При расположении приборов по всему контуру выработки можно получить представление о характере нарастания горного давления со временем, его окончательной величине и законе распределения. Наиболее простыми и надежными являются струнные мессдозы.

Мессдоза ЦНИИСа Минтрансстроя (рис. 39), предназначенная для измерения давлений до 15 кгс/см2, представляет собой герметическую стальную коробку 1 с мембраной 2, подвергающейся действию измеряемого давления. Прогиб мембраны вызывает изменение натяжения струны 4, закрепленной на жестко соединенных с мембраной струнодержателях. Съемное днище 5 поддерживается стяжным кольцом 7 с резиновым уплотнением 8 и имеет ввод 6 для проводов. Давление на мембрану определяют по изменению частоты колебаний струны в поле электромагнита 3 , которые преобразуются в электромагнитные. Точность показаний мессдозы достигает 20 — 25 гс/см2.

Перед использованием мессдозу подвергают давлению в тарировочной камере, в результате чего получают график зависимости между давлением на мембрану и частотой колебаний струны.

Мессдоза ЦНИИСа
Рис. 39. Мессдоза ЦНИИСа
Установка мессдозы
Рис. 40. Установка мессдозы

При бетонировании обделки или изготовлении железобетонного блока в этих конструкциях оставляют цилиндрический канал, в который заделывают стальное кольцо 1 с внутренней резьбой (рис. 40). После установки мессдозы 2 до упора в выступ кольца ввертывают опорное кольцо 3, поддерживающее мессдозу снизу. Сквозное отверстие в обделке служит для вывода от мессдозы проводов для снятия показаний прибора.

При определении величины горного давления большое значение имеет тщательное заполнение зазора между обделкой и породой, обеспечивающее равномерное распределение давления по контуру обделки и включение всех мессдоз в работу. Нагнетание за обделку цементного раствора, образующего твердую корку, может исказить показания мессдоз. Поэтому для нагнетания применяют бесцементный раствор (например, смесь воды и песка при толщине слоя нагнетания до 20 см), передача давления через который не вносит искажений в показания мессдоз. При большей толщине песчаного слоя возможно образование купола над мембраной с уменьшением измеренного давления.

Описанный способ, при котором интенсивность горного давления измеряется непосредственно в месте установки мессдозы, применим в слабых, легко деформируемых породах, если за обделкой отсутствуют элементы временной крепи (наличие таких элементов может исказить результаты измерений).

В твердых породах, а также в случаях, когда за обделкой остаются части крепи, для измерения средней интенсивности горного давления используют элемент сборной обделки, приспособленный для этой цели, — измерительный тюбинг (рис. 41).

Измерительный тюбинг ЦНИИСа
Рис. 41. Измерительный тюбинг ЦНИИСа

К спинке тюбинга 1 прикреплен тонкий стальной лист 5 , опирающийся по контуру на резиновые прокладки 2. Образующуюся полость 3 толщиной до 30 мм заполняют под давлением пластичным битумом. В специальные отверстия в спинке тюбинга ввинчены малогабаритные мессдозы 6 до контакта со слоем битума. Цементный раствор за обделку нагнетают через отверстия 4. В этом случае горное давление передается через стальной лист на битум, а затем на мембраны мессдоз, которые показывают среднее значение контактного давления на площадь стального листа.

При измерении контактных напряжений по контуру выработки необходимо одновременно измерять напряжения и деформации обделки и изучать физико-механические свойства окружающих обделку пород, чтобы можно было сделать выводы как о распределении горного давления, так и о совместной работе обделки и горного массива, представляющего собой упругую среду.

Постепенное накопление и обобщение результатов многочисленных измерений горного давления в различных геологических условиях является наиболее целесообразным направлением, позволяющим выяснить действительные нагрузки на конструкции подземных сооружений и подвести под их проектирование надежную базу.

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