Л.А.МАНУКЯН, канд. техн. наук (ЗАО Лернаметалургиаи Институт”), Определение напряжений в бетонных обделках подземных сооружений, пройденных в сложных геотехнических условиях

Принципы расчета обделок подземных сооружений в большой степени основываются на решении задач с использованием законов теории упругости. Однако при этом зачастую не учитываются изменения упругих свойств пород вокруг выработки, связанные с проходческими работами, последующим выветриванием, водообильностью, нарушенностью пород в зоне разломной тектоники и т.д. В этой связи для обоснования и расчета параметров обделки необходима оценка реальных свойств массива горных пород, что возможно путем проведения натурных геотехнических исследований [1].

Ряд подземных сооружений в Армении - тоннельные выработки различного назначения, которые претерпевают значительное влияние подвижек разномасштабных блоков горных пород как в период строительства, так и при их эксплуатации. Многочисленны факты деформирования бетонной обделки тоннелей, пройденных в сложных геотехнических условиях. В качестве характерного примера можно привести деформирование временной крепи калоттного профиля и разрушение бетонной обделки по полному сечению протяженностью 360 м при строительстве второго железнодорожного тоннеля Иджеван-Раз- дан [2]. Аналогичная ситуация наблюдалась при деформировании обделки гидротехнического тоннеля для переброски вод р.Арпа в оз.Севан. Здесь на участке второго забоя на протяжении 80 м была прорвана бетонная обделка тоннеля, что привело к его заполнению разжиженной грунтовой массой. Возникшая при этом трещиноватость привела к большим потерям воды и значительной опасности полного разрушения обделки. Деформированная обделка подверглась реконструкции на-участке в 360 м путем поэтапной замены конструкции жесткой монолитной обделки на податливую из сборных элементов в шахматном порядке.

В практике геотехнических исследований, проводимых ЗАО “Лернаметалургиаи Институт, для измерения напряжений в обделках подземных сооружений различного назначения используются разные модификации компенсационного метода и метода разгрузки (частичной и полной) [3]. Согласно этому методу, создается измерительная площадка путем бурения скважин в бетонной обделке с установкой в них динамометров, в качестве которых используются металлические балки двутаврового сечения, на стенки которых с обеих сторон наклеиваются тензометры сопротивления.

Отличительной особенностью этого метода является то, что при достаточно больших размерах измерительной площадки в работу вовлекаются участки сооружения, существенно отдаленные от места бурения скважин и закладки динамометров. Таким образом, фактическая база измерений может значительно превышать диаметр разбуриваемых скважин.

В основу работ по выявлению причин деформирования участка тоннельной обделки железнодорожной трассы Иджеван-Раздан были положены различные усовершенствованные вариации экспериментального определения напряжений бетонной обделки на основе метода динамометрического разреза. Трасса тоннеля, проходящая по комплексу вулканогенно-осадочных пород эоцена (туфобрекчии, порфи- риты, конгломераты, известково-глинистые сланцы) была сильно нарушена, раздроблена, изменена трещиноватыми породами, что вызывало затруднения с поддержанием кровли и выработки от вывапообразований крупных блоков и повышенного водопритока. Опыт проходческих работ подтвердил, что 55% вывалов по трассе проходки тоннеля связано с зонами высоких напряжений, обусловленных тектоническими явлениями [4].

Были выявлены общие характерные признаки нарушения целостности и деформирования бетонной обделки, а именно:

разрушения бетона обделки тоннеля на уровне пят свода (зафиксированы практически по всему деформированному участку);

разрушения и вывалы бетона обделки в сводовой части тоннеля;

сильная и беспорядочная трещиноватость обделки с раскрытием до 10-15 мм, зачастую приводящая к разрушению конструкции.

Экспериментальную работу по определению фактических напряжений в бетонной обделке с применением метода динамометрического разреза проводили в несколько этапов и в строго определенной последовательности [5]. В табл. 1 приведены значения относительных деформаций по динамометрам, сгруппированным по мере бурения разгрузочных скважин. Индексом “А” обозначены показания тензометров сопротивления по отдельным створам, а индексом “е“ - относительные деформации динамометров, выраженные в 1x105, что соответствует цене деления измерительного прибора. Графики, отражающие характер деформирования бетонной обделки в зависимости от числа пробуренных в ней скважин, представлены на рисунке.



После пробуривания “IT-образной прорези динамометры образуют как бы левую и правую опоры, воспринимающие напряжение в бетонном блоке. Динамометры, установленные в скважинах, образуют измерительные станции С1 и Cj (см. рисунок). Результаты замеров, приведенные в табл.1, показывают, что разности электрического сопротивления соответствуют положительным значениям, что указывает на наличие сжимающей нагрузки, действующей на динамометры, величина которой определяется на основе результатов тарировки приборов, где устанавливается удельная деформация динамометров.

В табл. 2 приведены усредненные значения приращений относительной деформации динамометров, установленных в левой и правой опорах исследуемого бетонного блока обделки тоннеля, и удельные деформации динамометров, определенные при их тарировке.

Из табл.2 видно, что динамометры, расположенные в глубине скважины, фиксируют нагрузки, практически близкие к значениям приборов, установленных вблизи поверхности бетонной обделки.

Усилия, найденные при эксперименте, определяются для всех динамометров данного блока. Подсчитывается площадь прорези, обслуживаемая одним динамометром, причем в расчет вводится полная толщина обделки тоннеля.



По полученным данным строится эпюра напряжений в бетоне. Для ее построения по осям динамометров по вертикали откладываются определенные выше напряжения в левой и правой опорах.

В отличие от существующих методов разгрузки для определения напряжений в бетонных обделках подземных горных выработок предложенный метод динамометрического разреза дает возможность значительно увеличить измерительную базу путем вовлечения участков сооружения, существенно отдаленных от мест бурения скважин и закладки динамометров. Благодаря этому возможно получить более достоверную информацию о степени напряженного состояния бетонной обделки, что особенно важно для подземных сооружений, пройденных в сложных геотехнических условиях.

Бетон и железобетон, 2006 №1