§ 75. ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ОБЖИМАЕМЫЕ СБОРНЫЕ ОБДЕЛКИ (ч. 2)

Обжатие породой. В последнее время конструктивные решения предварительно напряженных обделок получили свое развитие и совершенствование при отказе от внешних обручей и замене их действия равномерным отпором со стороны породы.

При монтаже обделки ее плотно прижимают тем или иным способом к контуру выработки таким образом, чтобы за обделкой не оставалось пустот. При этом в обделке возникают сжимающие усилия, обеспечивающие рациональную работу материала обделки (на сжатие); величину и распределение контактных давлений можно регулировать искусственно.

Обжатие обделки в породу стабилизирует равновесие горного массива, предупреждает осадки поверхности земли и исключает необходимость первичного нагнетания раствора, а также упрощает процесс монтажа обделки и снижает в 3—4 раза количество арматуры, что следует отнести к числу важных преимуществ обжимаемых в породу обделок.

Применение обжимаемых в породу сборных обделок рационально в таких породах, в которых может быть создан гладкий контур выработки, что возможно лишь при проходке механизированными щитами или методом вдавливания. Этим условиям вполне удовлетворяют глины и слабые скальные породы, допускающие оставление незакрепленной выработки в течение обжатия кольца обделки за пределами оболочки щита, при необходимости и в период монтажа. Для проходки в песках необходимо специальное оборудование, характеристики которого приведены ниже.

Конструкции обжатых обделок могут быть бетонными, железобетонными и чугунными с шарнирными соединениями в продольных стыках. Продольные стыки (рис. 253) выполняют цилиндрическими выпукло-вогнутыми (а) и двояковыпуклыми (б), а поперечные — плоскими с уступами (в) или двояковыпуклыми (г), также могут иметь напряжение продольные стыки чугунной обделки (д). После обжатия кольца гидравлическими домкратами в образовавшиеся зазоры вставляют шарнирные чугунные вкладыши и клинья.

Наружный диаметр обделки принимают равным или несколько большим диаметра выработки. Напряжение обделки и обжатие породы обеспечиваются вследствие разности длин контуров обделки и выработки (рис. 254).

Теоретически можно определить разность радиусов ΔR наружного контура обделки и выработки по формуле

,

(180)

где N_н — среднее значение нормальной силы в обделке от предварительного напряжения, отнесенной к единице длины тоннеля; μ — коэффициент Пуассона для породы; R — наружный радиус обделки; n — число стыков в кольце; λ — линейная деформация стыков блоков от действия единичной нормальной силы; Е — модуль упругости породы; Е₀ — модуль упругости бетона блоков; h — толщина блоков; U₀ — деформация от обмятия неровностей поверхности выработки.

Первичный член этой формулы представляет собой радиальные перемещения по контуру выработки, вызванные деформациями породы, т.е.

.

Второй член представляет собой изменение радиуса обделки от осевого сжатия блоков, т.е.

.

Третий член представляет собой деформацию радиуса обделки, вызванную линейными деформациями стыков при обжатии обделки, т.е.

.

Деформации стыков при обжатии обделок могут быть определены экспериментально и теоретически.

На основе зависимости для определения ширины площади контакта а (рис. 255), через которую передается сжимающая сила N от одного торца блока к другому, для выпукло-вогнутого стыка получена формула

,

(181)

где N — сжимающая сила; R₁ и R₂ — радиусы кривизны торцов смежных блоков; Е — модуль упругости материала блоков; μ — коэффициент Пуассона.

Напряжение σ = N/a на участке а принято равномерным; под его влиянием в блоках образуются зоны повышенных напряжений Z₀. Требуется определить их деформации. В зонах Z₀ сила N распространяется под углом рассеивания напряжений α_р, приблизительно равным 50 %. Полная деформация стыка блоков одинаковой толщины может быть определена по следующей зависимости:

,

(182)

где λ_ст — линейная сжимаемая деформация стыка; h — толщина блоков; tgα_р — 1,1÷1,3.

Расчетная величина обжатия должна быть обеспечена в сечениях блоков с максимальными изгибающими моментами. С учетом выводов, сделанных выше, необходимо принимать нормальную силу обжатия из расчета, чтобы эпюра напряжений в любом сечении обделки была однозначной (сжатие).

Обжатие сборной обделки в породу может быть создано гидравлическими домкратами (рис. 256), устанавливаемыми на уровне горизонтального диаметра в специальных окнах-пазах между блоками (см. рис. 256, б). В этом случае по окончании обжатия в зазор между торцами блоков вставляют железобетонный вкладыш требуемой формы или металлический клин; зазор можно заполнить жесткой бетонной массой, после твердения которой и набора расчетной прочности домкрат убирают, а пазы бетонируют.

Недостаток этого способа — сложность конфигурации блоков, ослабление блоков окнами-пазами и необходимость их омоноличивания. Кроме того, происходит потеря напряжений при передаче давления с домкратов на вкладыши.

Для устранения этих недостатков можно применять распорное устройство рычажного типа (рис. 256, в), устанавливаемые за контуром обделки. Фиксацию блоков в раздвинутом положении осуществляют широкими клиньями или винтами, вмонтированными в торце блоков сплошного или ребристого сечения.

Наиболее целесообразно обжимать сборную обделку в породу при помощи вдавливания щитовыми домкратами клиновидных блоков. Величина вдавливания , где m — число клиновидных блоков; i — уклон граней клиновидных блоков.

Монтаж такой обделки в устойчивых породах осуществляют при механизированной щитовой проходке в строго очерченном контуре выработки. Оболочку щита принимают укороченной. Блоки нижней половины кольца обделки укладывают непосредственно на породу, а верхние — на поддерживающие балки.

Клиновидные блоки занимают вначале смещенное в сторону щита положение, затем при их опрессовке щитовыми домкратами эти блоки полностью входят в пределы кольца, расклинивая обделку. В результате благодаря центрированию усилий в стыках блоков возникает контакт с породой по всей поверхности обделки и ее равномерное обжатие.

Для некоторой корректировки длины окружности сооружаемой обделки и, следовательно, передаваемого ей напряжения длина клиновидных блоков должна быть несколько меньше ширины кольца обделки (рис. 257). Благодаря такому конструктивному решению можно получать требуемое напряжение регулированием величины вдавливания клиновидных блоков. Контроль за фактическим напряжением можно осуществить по показаниям манометров на щитовых домкратах.

Наиболее благоприятной средой для такой обделки следует признать глину, обладающую значительной податливостью, так как в условиях податливой среды отклонения в длине окружности влияют на напряжение обделки в наименьшей степени.

При обжатии этим способом возникают значительные силы трения между обделкой и породой, а следовательно, неравномерность напряжения обделки. Чтобы уменьшить силы трения, блоки могут быть покрыты с внешней стороны и по боковым граням смазочными вязкими материалами.

Рассмотренные конструктивные решения сборных обделок из железобетонных элементов могут быть в ряде случаев видоизменены и приспособлены к местным условиям.