Построение диаграммы развития радиальных смещений контура тоннеля в зоне влияния проходческих работ

Для построения диаграммы развития радиальных деформаций породного контура тоннеля в зоне влияния проходческих работ необходимо определить величину максимальных радиальных деформаций незакрепленного контура тоннеля. Если величина относительного радиуса зоны предельного состояния меньше 1, то величина максимальных радиальных смещений определяется по формуле (3.5). Если величина относительного радиуса зоны предельного состояния больше 1, то величина максимальных радиальных смещений определяется по формуле (3.5).

контура выработки в радиальном направлении на стадии упругой работы породного массива () в окрестности тоннеля необходимо определять по следующей зависимости

(3.5)

Смещение контура выработки в радиальном направлении на стадии упругопластической работы породного массива () можно определить по следующей зависимости

(3.6)

где – критическое давление, характеризующее переход от только упругих деформаций к упругопластическим деформациям.

(3.7)

где – предел прочности породного массива в условиях одноосного сжатия.

(3.7)

Для построения диаграммы необходимо определить две величины смещения в упругой области работы, при величинах и , и 10 величин смещений в упругопластической области.

…

Рисунок 3.1 – Схема упругопластической модели и распределения напряжений в массиве вокруг выработки: 1 – зона упругих деформаций; 2 – зона пластических деформаций; 3 – граница зоны влияния выработок.

Рисунок 3.2 – Диаграмма развития радиальных смещений контура тоннеля в зоне влияния проходческих работ

Продольный профиль смещений контура тоннеля, полученный на основании решения упругопластической задачи в объемной постановке, обобщен следующими зависимостями.

Смещение на уровне лба забоя тоннеля составляют

(3.8)

где – максимальная величина смещений с учетом пластических деформаций.

Тогда, смещение контура впереди лба забоя тоннеля ()

(3.9)

позади забоя тоннеля составит ()

(3.10)

где – расстояние от рассматриваемой точки до лба забоя тоннеля.

Видно (рисунок 3.3), что продольный профиль смещений по длине тоннеля в значительной степени зависит от размера зоны предельного состояния. Таким образом, применение продольного профиля смещений, полученного на основании упругого решения, справедливо только при значениях равном 1 или меньшем 1. В остальных случаях, необходимо воспользоваться упругопластическим решением.

Зависимость смещений на контуре породного массива от величины относительной прочности породного массива (рисунок 3.4), характеризуемой отношением , показала, что при снижении величины до значения 0.15 скорость роста смещений на контуре резко возрастает. Данную величину можно рассматривать, как граничное значение, между устойчивым состоянием породного обнажения и состоянием при котором наблюдается нелинейный рост смещений на контуре обнажения. По мере снижения величины скорость смещений контура тоннеля продолжает возрастать. Момент, когда кривизна зависимости смещений на контуре породного обнажения в значительной степени возрастут по сравнению с ее предыдущими значениями, можно приянть начало потери устойчивости породного обнажения. Граничная величина, после достижения которой, породное обнажение можно отнести к весьма неустойчивым, зависит от объемной прочности породы. Так (рисунок 3.4), при величине угла внутреннего трения породного φ = 20, значение , которое характеризует неустойчивое состояние породного обнажения, равно 0.05, при φ = 25, потеря устойчивости наблюдается при = 0.025, при φ = 30 = 0.015.

Если условия проведения тоннелей относятся к весьма неустойчивым, применение обычных методов крепления тоннеля (жесткие типы крепи) уже не может обеспечить эффективное крепление породного обнажения и необходимо применять податливые типы обделки или другие способы разгрузки породного массива.

Рисунок 3.3 – Продольный профиль смещений контура тоннеля:

1, 2, 3, 4, 5 – соответственно профили смещений, полученные при значение равном 1, 3, 5, 7 и 9.

Рисунок 3.4 – Зависимость смещений контура тоннеля от величины относительной прочности породного массива

Анализируя зависимость смещений на контуре тоннеля от величины отпора создаваемого обделкой, можно отметить, что существует достаточно широкий диапазон значений (для рассматриваемых условий он изменяется от величины 0.2 до 1.0), в котором устойчивость тоннеля обеспечивается, а смещения на его контуре носят линейный характер. В диапазоне значений от 0.075 до 0.2 наблюдается устойчивый рост смещений контура тоннеля, проявляется нелинейный характер развития смещений, что свидетельствует о наличии значительной зоны пластических деформаций в окрестности тоннеля. При снижении величины до значения меньшего 0.075, устойчивость тоннеля не обеспечивается, наблюдается резкий рост величин смещений контура тоннеля.

Для практической оценки устойчивости тоннеля и выбора необходимой величины отпора обделки, строиться зависимость (рисунок 3.6) в осях – смещение контура тоннеля, при различных значения . Построенная диаграмма позволит получить первичное представление об устойчивости породного обнажения, отставании установки обделки от забоя, необходимой величины отпора обделки.

Предложенный подход к оценке устойчивости породного обнажения, основанный на деформационном критерии (рост смещений контура тоннеля) и аналитическом решении позволяет эффективно выполнить первичную оценку устойчивости породного обнажения и предварительно выбрать параметры крепления тоннеля. В то де время, для тоннелей, форма поперечного сечения которых отлична от круглой, а поле напряженного состояния отличается от гидростатического данная методика не применима. Также данная методика не применима, если строительство тоннеля осуществляется в сыпучих средах, таких как песок или мелкий гравий.