CC BY
68
Реестре программ для ЭВМ 11.01.11. Разработчики: М.В. Гилев, С.А. Константинова, С.А. Чернопазов, ДС. Чернопазов.
5. Константинова С. А. Об одной феноменологической модели деформирования и разрушения соляных пород при длительном действии сжимающих нагрузок // ФТПРПИ. 1983. № 3.
6. Константинова С.А, Чернопазов С.А. Развитие наследственной модели деформирования и разрушения соляных пород // ФТПРПИ. 2004. № 1.
S.A. Konstantinova, I.B. Vaulina
INFLUENCE OF WORKED OUT SPACE BACKFILLING ON STRESS STRAIN STATE OF CARNALLITE RIB PILLAR
Stress strain state of rib pillars under the influence of chambers backfilling ofprima-ry and secondary excavations is considered.
Key words: stress strain state, rib pillars, backfilling of worked out space.
Получено 10.05.12
УДК 622.28.04
П.Б. Киреев, асп., (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ), И.В. Сапронов, асп., (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ), М.В. Гарипов, асп., (4872) 35-20-41, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
К. А. Головин, д-р техн. наук, (4872) 35-20-41, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МЕТОДА НАБРЫЗГ-БЕТОНА ДЛЯ ВОЗВЕДЕНИЯ КРЕПЕЙ И ТОННЕЛЕЙ
Освещается область применения набрызг-бетона, рассматриваются перспектива и области использования данного метода наряду с другими, применяемыми в данной области, а также пути модернизации и автоматизации применительно к подземному строительству.
Ключевые слова: набрызг-бетон, крепь, тоннель, выработка, опалубочный способ, тюбинги, гидроструйная цементация.
Набрызг-бетон, или торкретирование, все чаще применяют при возведении тонкостенных железобетонных конструкций (резервуаров, сводов-оболочек) и для безопалубочного закрепления туннельных выработок, образования плотного поверхностного слоя в сооружениях с повышенными требованиями к водонепроницаемости, замоноличивания швов, устранения дефектов в бетоне при ремонтно-восстановительных работах.
В результате нанесения раствора или бетона на поверхность под давлением образуется уплотненный слой торкрета, свойства которого отличаются от свойств обычного бетона или раствора. По сравнению с обычным бетоном набрызг-бетон обладает повышенной механической прочностью, морозостойкостью, водонепроницаемостью, лучшим сцеплением с поверхностью обрабатываемой конструкции.
Наряду с рассматриваемым методом существует достаточно других принципиально отличающихся методов крепления выработок. Ниже приведем наиболее применяемые и известные методы крепления горных выработок, которые конкурируют с набрызг-бетоном и используют в качестве материала бетонные смеси.
Опалубочный способ возведения монолитной бетонной крепи
Опалубочный способ возведения бетонной (железобетонной) крепи заключается в применении специальной передвижной (переставной) конструкции заданной формы и конфигурации, называемой опалубкой (рис. 1).
Технология возведения бетонных оболочек данным способом подразумевает использование одной из трех принципиальных схем: параллельной, последовательной или совмещенной. Использование той или иной схемы обусловлено множеством факторов, таких, как длина закрепляемой выработки, устойчивость горных пород, вероятность вывалов породы и т.д.
Рис. 1. Заполнение пространства за опалубкой бетоном с помощью бетоноукладчика
Например, при использовании совмещенной схемы возведение бетонной крепи производится в призабойной части с отставанием от забоя на 5...7 м. Работы по возведению бетонной крепи частично совмещают с проходкой забоя.
Данный метод крепления выработок трудоемкий и технологически сложноорганизуемый, за счет этого он имеет низкую производительность. Для создания опалубки используют металлические щиты, которые со временем изнашиваются и имеют определенный типоразмер, который подходит не для всех типов выработок.
Использование тюбингов для возведения бетонных оболочек крепей Сборные обделки для возведения бетонных оболочек состоят из отдельных элементов заводского изготовления, называемых тюбингами. Тюбинги представляют собой бетонные блоки со сварным арматурным каркасом внутри. Наиболее распространены тюбинги тоннельной обделки, которые в сборе образуют круговое сечение (рис. 2).
Обделку тюбингами кругового сечения обычно сочетают вместе с щитовой проходкой туннеля либо специальными щитоукладчиками. Использование проходческого щита позволяет автоматизировать и проводить совместно обе технологические операции такие, как проходка туннеля и возведение крепи. Тогда установка тюбингов происходит обжатием в грунт во время очередного перемещения щита.
Данный способ обладает довольно высокой производительностью и автоматизацией, однако является достаточно дорогостоящим по сравнению с остальными из-за высокой стоимости конструктивных элементов.
Возведение бетонных оболочек способом набрызг-бетона
Метод набрызг-бетона заключается в нанесении на поверхность бетона, железобетона, горной породы под давлением сжатого воздуха одного или нескольких слоев бетонной смеси. Набрызг-бетон выполняют цементными смесями на плотных или пористых заполнителях по неармированной или армированной поверхности.
Существуют два способа нанесения набрызг-бетона на укрепляемую поверхность: «сухой» и «мокрый».
Метод «сухого» набрызг-бетона
Мелкозернистый бетон загружается в бункер в виде сухой смеси (заполнитель, цемент, порошкообразные добавки) и сжатым воздухом в разряженном потоке подается в сопло. В основании сопла материал смешивается с водой или водным раствором добавок и увлекается воздухом на основание. При соударении с обрабатываемой поверхностью происходит уплотнение бетона. По сравнению с «мокрым» способом этот метод имеет свой ряд преимуществ:
- не требуется предварительное затворение водой;
- не требуется грунтовка основания клеящим составом;
Рис. 2. Примеры тоннельных тюбинговых обделок
- простая очистка оборудования и редкое засорение шлангов;
- способность наносить толстый слой торкретбетона.
Следует упомянуть также и о недостатках данного метода.
Первым недостатком является больший отскок от поверхности обработки (20...30 %), который в полной мере проявляет себя на первых этапах нанесения торкретбетона. Это связано с тем, что на начальной стадии на основании еще нет цементного «молока», которое и образует первоначальный клеящий слой.
Вторым недостатком является повышенная запыленность рабочего места, что особенно будет проявляться в закрытом пространстве, таком, как шахтная выработка.
Метод «мокрого» набрызг-бетона
При этом способе готовая бетонная смесь подается насосом по шлангу в сопло к месту укладки. В сопло же подводится сжатый воздух, который, придавая ускорение бетонной смеси, увлекает ее на основание. При соударении частиц торкретбетона с поверхностью происходит уплотнение бетона (рис. 3).
11 I
1А
> ■а
га о ш
I
Жидкая добавка (Ускоритель)
Рис. 3. Схема установки для нанесения «мокрого» набрызг-бетона
Данный способ имеет следующий ряд преимуществ:
- пониженное пылеобразование;
- минимальный отскок торкретбетона от обрабатываемой поверхности;
- однородный состав бетона;
- возможность использования торкрет машины как бетононасос.
Расстояние нанесения материала на поверхность составляет порядка 20.60 см.
Наряду с достоинствами метод имеет и недостатки.
Во-первых, при применении «мокрого» метода набрызг-бетона процесс начала работ (приготовление смеси, её доставка к насосу) и процесс завершения работы (очистка оборудования) являются более трудоёмкими, чем при пневматической подаче сухой смеси.
Во-вторых, время использования приготовленной смеси ограничено, и набрызг-бетон должен быть нанесён за указанный период.
В-третъих, недостатком данного метода в целом, является отскок материала от обрабатываемой поверхности, составляющий порядка 25 % , а также сложность используемого оборудования.
На данный момент метод «мокрого» набрызг-бетона наиболее современный и перспективный благодаря повышенном производительности работ, малому износа оборудования, а также повышенному качеству получаемого покрытия за счет постоянного водоцементного соотношения. А применение данного метода вместе с армированием (усилением области обработки арматурой или специальными анкерами) позволяет значительно увеличить несущую способность полученной таким образом крепи.
Большинство работ по нанесению набрызг-бетона выполняют ручным методом или с использованием телескопических манипуляторов. При таком способе нанесения расстояние от струеформирующей насадки до обрабатываемой поверхности не превышает 2 метров, а рабочее давление системы 10 атм., что существенно ограничивает область обработки и сокращает границы обрабатываемой поверхности без перемещения установки. Таким образом, перспективой развития метода набрызг-бетона является значительное повышение давления в системе.
Для повышения давления в системе возможно использовать насосы высокого давления, которые применяют в области гидроструйной цементации (ГСЦ). Такие насосы нагнетают давление в системе порядка 50.70 МПа и имеют возможность варьировать его в процессе работы. Применение таких насосов позволит увеличить расстояние от обрабатываемой поверхности до сопла струеформирующей насадки и удалить оператора непосредственно из рабочей области установки. Это особенно важно в условиях закрытого пространства при возведении набрызг-бетонной крепи.
Математическое описание
Исходя из процессов, протекающих в условиях гидроструйной цементации, хорошо изучены гидродинамические параметры водоцементной струи, которая по своим свойствам схожа с составом, применяемым в смеси для набрызг-бетона.
По принятой классификации струя для набрызг-бетона относится к свободным незатопленным струям, которая, в свою очередь, является тур-
булентной струей обтекаемой атмосферным воздухом. Струя торкрет -смеси представляет собой поток вязкой жидкости с увеличивающимся поперечным сечением по ходу отдаления от струеформирующей насадки.
Таким образом, принимая во внимание допущение о квазистационарности течения, возможно использовать одну из математических моделей для течения свободных струй, которые описываются в источнике [2]. Благодаря этому возможно найти основные параметры струи, такие, как скорость потока в произвольном сечении струи, площадь сечения струи, а также потерю давления в конечной точке потока.
Математическое описание взаимодействия частиц струи и породного массива основано на представлении горных пород в виде пластической модели, базирующейся на теории прочности Кулона-Мора:
F
S = т = С + еп1ф , (!)
где F = Fсц + Fтр - сила воздействия струи, Н; Я - площадь контакта струи
с массивом, м ; С - коэффициент сцепления, МПа; ф - угол внутреннего трения; т - касательные напряжения, МПа; ап - нормальные напряжения, МПа.
Для расчета силы воздействия струи предлагается использовать
формулу, полученную из совместного решения уравнения импульсов и
уравнения непрерывности движения жидкости:
/ л
р = р 1 10
1 --
100 ^
V л2
стр
У У
(2)
Р У "о У У
где рт и р - плотность воды и плотность струи на оси соответственно; Vстр и V - осевая скорость движения струи и скорость истечения струи из
насадки. Формула (2) получена путем адаптации к условиям гидроструйной цементации неустойчивых горных пород известных и получивших экспериментальное подтверждение аналитических выкладок Г.Н. Абрамовича.
Данное уравнение с теоретической точки зрения является универсальным, так как оперирует только параметрами, характерными для конкретного применяемого оборудования.
Так как модель такой струи имеет математически описанные закономерности, становится возможным отслеживать её параметры в любой точке полета вплоть до соприкосновения с обрабатываемой поверхностью. Это делает возможным автоматизацию процесса нанесения набрызг-бетона путем своевременного регулирования скорости вылета струи из сопла установки и отслеживания расстояния до поверхности. Таким образом, уста-
1
новка, работающая по такому принципу, сможет обрабатывать еще не укрепленные поверхности породы с наименьшими перемещениями по выработке в автоматическом режиме и охватывать большинство типоразмеров выработанных подземных пространств, камер, туннелей.
Благодаря использованию подобной системы струй высокого давления в области возведения набрызг-бетонных крепей и тоннелей стало возможным минимизировать негативное влияние характерных для данного метода недостатков, основным из которых является отскок смеси от поверхности обработки. Основываясь на математическом описании полета струи, можно будет добиться такой скорости в последней точке траектории, что сведет отскок к нулю.
При таких перспективах развития станет возможным не только упростить и автоматизировать данный метод, но и повлиять на свойства возводимой крепи, что приведет к более глубокому проникновению состава бетонной смеси в глубь пород массива и его уплотнению, и сделает возможным применение данного типа крепи в менее устойчивых породах.
Список литературы
1.Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Физматгиз, 1960. 371 с.
2. Бройд И.И. Струйная технология: учебное пособие. М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2004. 448 с.
3. Картозия Б. Л., Федунец Б.И., Шуплик М.Н. Высшее горное образование: Шахтное и подземное строительство: учебник для вузов. М.: Изд-во Академии горных наук, 2001.
P.B. Kireev, I. V. Sapronov, M. V. Garipov, K.A. Golovin
PERSPECTIVES OF DEVELOPING SPLASHING-CONCRETE METHOD FOR RAISING TUNNEL LININGS
Area of using splashing-concrete technology is discussed and perspective and area of using this method joint others are considered. Modernization and automation for underground construction are discussed.
Key words: splashing-concrete, lining, tunnel, working, falsework method, tubing, hydro-jet cementation.
Получено 10.05.12
