Давление грунта на крепь выработки и обделку туннеля

Возникновение областей пластических деформаций и разрушения в некоторых породах, преимущественно пластичных, приводит к оседанию всей толщи пород, находящихся над сооружением, особенно при большом его пролете.

В этом случае, как показывают измерения горного давления на сооружения, заложенные на глубине 25-50 м от поверхности, вертикальное давление в глинистых грунтах может доходить до полного веса всей налегающей толщи, а в прочных породах составляет 70-80% этого веса,

В других грунтах, например в песчаных, область нарушения может не доходить до поверхности, так как над сооружением образуется естественный разгружающий свод, очертание которого принимается параболическим (рис. 1).

Давление на сооружение в этом случае считается передающимся от грунта, занимающего область внутри разгружающего свода, ограниченную с боков плоскостями скольжения.

Пролет L свода давления и его высота h₁ над верхней точкой выработки определяются по формулам М. М Протодьяконова:

где D₁ - ширина или диаметр выработки в м; h - высота или диаметр выработки в м; φ - угол внутреннего трения грунта в град, f - коэффициент крепости грунта (горной породы), учитывающий его внутреннее сопротивление разрушению, а также характер напластований, степень трещиноватости и способ сооружения туннеля.

Нормативное горное давление на крепь или на туннельную обделку принимают равномерно распределенным, и его равнодействующие определяют по формулам:

- для вертикального давления:

- для горизонтального давления:

где Υ₀ - объемный вес грунта.

Значения характеристик Υ₀, φ и f различных грунтов приведены в табл. 1.

Расстояние от вершины свода давления до дневной поверхности или до контакта со слабыми породами должно быть не меньше высоты свода давления. В противном случае, а также при невозможности сводообразования, нормативное вертикальное давление принимают равным весу всей толщи грунта над туннелем, а равнодействующую горизонтального давления определяют по формуле:

где Н₀ - высота толщи грунта, расположенной выше оси туннеля, приведенная к объемному весу слоя у₀ грунта у оси туннеля, в м.

Горное давление на обделку параллельных туннелей при возможности образования над каждой выработкой самостоятельного свода давления определяется для каждой выработки в отдельности. Если же при заданных размерах каждой выработки, велика между ними и физико-механических свойств породы образование самостоятельного свода над каждой выработкой невозможно, то давление на обделки определяется исходя из предположения существования над ними общего свода давления.

Активное давление грунта со стороны подошвы выработки («дутье»), направленное снизу вверх, возникает в результате выпирания грунта из-под. стен обделки под воздействием вертикальной нагрузки и собственного веса обделки (рис. 2).

Равнодействующая сил давления грунта со стороны подошвы выработки:

где q - давление стены на основание.

Для определения активного давления на крепь одиночной выработки кругового поперечного сечения в основе теории предельного равновесия К. В. Руппенейтом предложена формула:

где Н₀ - глубина заложения центра выработки от поверхности грунта; у_о - объемный вес грунта; φ - угол внутреннего трения грунта; с - удельное сцепление; К - коэффициент концентрации давлений, принимаемый равным; для песков 1,0-1,3; для глин 1,8-2,0; для сланцев 1,5-1,8.

Давление принято равномерным и действующим нормально к поверхности сооружения.

Давление грунта на подземное сооружение может быть определено из решения контактной задачи теории упругости для полуплоскости с подкрепленным отверстием.

При горизонтальной круглой выработке, центр котором находится па глубине Н₀ от поверхности, нормальное давление на обделку равно:

где θ - полярный угол, отсчитываемый от вертикального диаметра, ξ₁ - коэффициент бокового давления; Е н μ - модуль упругости и коэффициент Пуассона материала сооружения; Е₀ и μ₀ - модуль упругости и коэффициент Пуассона грунта: p₁=r₀/r₁

При достаточно тонкой обделке давление на нее выравнивается и может быть принято равномерным по длине окружности: