Нормативные документы. Нагрузки, действующие на тоннельные обделки

Лабораторная работа №1

Нагрузки, действующие на тоннельные обделки

Исходные данные:

Ширина выработки В₁ =1,5м+0,2*№ варианта, м;

Высота выработки H =1,7м+0,3*№ варианта, м;

Глубина расположения выработки H₁ =100м+10м*№ варианта, м;

Угол внутреннего трения φ =38°;

Коэффициент крепости пород f =5+0,5*№ варианта;

Удельный вес пород γ =1,5+0,1*№ варианта, т/м³.

Задание

1. Начертить по исходным данным подземное сооружение. В работе принята прямоугольно – сводчатая форма поперечного сечения.

2. Рассчитать нормативные вертикальные и горизонтальные нагрузки.

3. Построить свод естественного равновесия, показать нагрузки на обделку подземного сооружения.

Нормативные документы

1. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности "Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых" (утв. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 11 декабря 2013 г. N 599).

При прямоугольно – сводчатой форме высота выработки в свету складывается из высоты стенки от уровня балластного слоя и из высоты свода (рис. 1).

Рисунок 1 – Прямоугольно – сводчатая форма поперечного сечения

Высоту выработки вчерне Н определяют как высоту в свету плюс толщина крепи в своде при монолитной бетонной крепи или плюс 50 мм при: набрызгбетонной, анкерной (штанговой) и комбинированной крепях. Высота стенки от уровня головки рельса до пяты свода h₁ при транспортировании электровозами определяется в зависимости от высоты электровоза. Высота выработок при транспортировании контактными электровозами должна удовлетворять условиям, при которых обеспечиваются минимальные зазоры между электровозом (вагонеткой) и крепью, а также между токоприемником и крепью.

Высота вертикальной стенки от уровня трапа до пяты свода h₂ = H- h_o, мм. Высоту сводаh₀ принимают в зависимости от коэффициента крепости пород по шкале М. М. Протодьяконова.

Для набрызгбетонной и анкерной крепи и в выработках без крепи при f < 12, h_o = В/3, а при f >12, h_o = В /4 (h_б=300 мм)

Кривая трехцентрового (коробового) свода образуется тремя дугами: осевой R и двумя боковыми r. Радиусы свода в зависимости от его высоты приведены ниже.

Высота свода h_o В/ 3 В/4

Радиус осевой дуги R 0,6925 0,9055

Радиус боковой дуги r 0,2625 0,1735

Площадь сечения выработки в черне при высоте свода h₀ = В/ 3:

S_CB = B₁*(h₂ + 0,26* B₁), м²,

при h₀ = B/4:

S_CB = B₁*(h₂ + 0,175* B₁), м².

Нагрузки действующие на тоннельные обделки, определяют в зависимости от глубины заложения и размеров выработки, климатических, инженерно-геологических и сейсмических условий строительства, конструкции обделки, способа производства работ, а также от вида транспортных средств.

Все виды нагрузок делят на: постоянные, оказывающие на обделку регулярное воздействие; временные, характеризующиеся периодическим длительным или кратковременным воздействием и особые, возникающие в результате каких-либо аварийных ситуации.

К постоянным нагрузкам относят собственный вес конструкции, вертикальное и горизонтальное горное давление, внешнее гидростатическое давление.

Временные нагрузки включают в себя воздействия колебаний температуры, ползучести и усадки бетона, морозного пучения породы, а также нагрузки производственного и эксплуатационного характера: давление раствора при нагнетании за обделку, вес оборудования и материалов, нагрузки от движения наемного и внутритоннельного транспорта и ряд других воздействий.

В качестве особых нагрузок и воздействии принимают сейсмические и ударные воздействия, а также различные нагрузки аварийного характера.

Все нагрузки могут действовать одновременно или в разные моменты времени в различных сочетаниях. Поэтому при статических расчетах выявляют наиболее неблагоприятные сочетания, при действии которых в обделке возникают наибольшие внутренние усилия.

В работе расчет обделки допускается производить только на основные сочетания нагрузок, состоящих из постоянных нагрузок и воздействий.

При глубоком заложении тоннелей в устойчивых породах нормативное горное давление определяют в соответствии с гипотезой проф. М.М. Протодьяконова, по которой вертикальное горное давление на обделку создается весом породы, заключенной в пространстве, ограниченном сверху контуром свода давления, а по бокам – плоскостями обрушения (рис 2).

Рисунок 2 – Схема к расчету горного давления по гипотезе проф. М.М. Протодьяконова

Величину пролета и свода давления (обрушения) определяют по формулам:

(1)

(2)

где L –пролет свода давления, м; B – ширина выработки, м; h - высота выработки, м; φ – угол внутреннего трения породы, град; - высота свода давления, м; f – коэффициент крепости породы.

Для практических расчетов вертикальное горное давление принимают равномерно распределенным по пролету, а горизонтальное горное давление - по высоте выработки и определяют по формулам

Вертикальное горное давление:

(3)

Горизонтальное горное давление:

(4)

где - нормативное вертикальное горное давление, т/м²; - нормативное горизонтальное горное давление, т/м², γ – удельный вес породы, т/м³.

Нагрузку от давления воды определяют по законам гидростатики в зависимости от уровня подземных вод над обделкой тоннеля. Если ниже горизонта воды залегает водонепроницаемая порода (песок, супесь), то нормативную величину горного давления принимают в виде совместного действия гидростатического напора и давления пород во взвешенном состоянии.

Следует иметь в виду, что гидростатическое давление улучшает статическую работу обделки, вызывая сжимающие усилия и уменьшая изгибающие моменты от горного давления. В связи с возможным уменьшением гидростатического давления во времени возникает опасность переоценки несущей способности рассчитываемой обделки. Поэтому гидростатическое давление следует учитывать только при гарантированном расположении уровня подземных вод выше подошвы тоннеля и при соблюдении условий водонепроницаемости обделки.

Нормативную нагрузку от собственного веса конструкции вычисляют по проектным размерам и удельному весу материалов обделок тоннелей.

Одной из особенностей расчета тоннельных обделок является учет упругого отпора окружающих обделку пород, возникающего в результате деформации обделки под действием вертикальных нагрузок. Упругий отпор учитывают при сооружении тоннелей в породах, способных оказывать сопротивление деформациям конструкции. При этом упругий отпор определяют только на той части контура обделки, которая под действием нагрузок может перемещаться в сторону породы. В слабых, рыхлых и неустойчивых породах (примерно при f<1,5), не оказывающих существенного сопротивления деформациям обделки, упругий отпор не учитывают, а в расчет вводят горизонтальное давление породы.

Все рассмотренные нагрузки являются нормативными. При расчете тоннельных обделок по предельным состоянием надлежит использовать расчетные нагрузки, величины которых получают путем умножения нормативных значений на соответствующие коэффициенты надежности по нагрузке

, т/м² (5)

где P- расчетная вертикальная нагрузка на обделку тоннеля, т/м²; P_н – максимальная нормативная нагрузка по формулам 3,4; - коэф. надежности по нагрузке (принимается 1,25); - коэффициент для главных вскрывающих выработок равен 1,1, для остальных – 1; - коэффициент условий проведения выработок, при БВР равен 1.