Распространение набрызгбетона

В Советском Союзе набрызгбетоном закреплено большое число подземных выработок: на строительстве Храмской ГЭС — шинногрузовой туннель, камеры уравнительного резервуара, подземный машинный зал; на строительстве Нурекской ГЭС — III транспортный и другие туннели; Ялтинский гидротехнический туннель; автодорожный туннель на Северном Кавказе; более 150 км горных выработок — штолен и камер — на рудниках цветной металлургии; большое число подготовительных горных выработок угольных шахт. ВНИИЦветметом установлено, что набрызгбетонные крепи с большой экономической выгодой могут быть применены на любом горном предприятии страны, в частности 75% выработок рудных предприятий может быть закреплено набрызгбетоном.

Набрызгбетон по рекомендации советских специалистов был применен для крепления Асуанских водосборных туннелей, намечается еще более широкое использование его на подземных объектах. Не меньшее развитие набрызгбетон получил за эти годы и на открытых работах (ремонт облицовок каналов, омоноличивание швов сборных элементов г покрытие по породе в выемках, каналах, на врезках плотин и т. п.).

Распространение набрызгбетона вызвано свойством этого материала схватываться со скальной породой и укреплять ее поверхность. Набрызгбетон, наносимый на поверхность скалы, связывает между собой отдельные разрыхленные частицы, заполняет трещины и углубления породы, снижает концентрации напряжений по контуру выработки. Собственно покрытие из набрызгбетона совместно с слоем укрепленной породы воспринимает давление или скалывающие усилия, возникающие от отдельных местных нагрузок, и способствует ловышению устойчивости окружающего выработку массива породы.

Если принять для набрызгбетона раннего возраста сцепление со скальной породой и прочность материала на срез равными всего по 1 кгс/см2, то легко подсчитать, что на 1 м2 поверхности выработки покрытие из набрызгбетона толщиной только 3 см способно удержать от обрушения в выработку отслоившуюся пирамиду породы высотой 1 м и весом около 1 тс.

Одним из существенных достоинств набрызгбетона является быстрый набор им прочности. Неоднократно проведенные наблюдения показали, что уже через 3—6 ч после нанесения набрызгбетона можно вести взрывные работы вблизи места его нанесения, при этом заметных нарушений поверхности или каких-либо обрушений породы не возникает.

Нормативные сопротивления набрызгбетона

Как показали экспериментальные работы ВНИИЦветмета, значительное повышение ударной прочности набрызгбетона достигается введением в его состав сечки капронового волокна (при толщине лиги 0,3 мм) в количестве 4—5% массы цемента.

Нормативные сопротивления набрызгбетона несколько выше (на 10—15%) аналогичных характеристик бетона той же марки. Расчетное сцепление набрызгбетона со скальной породой (определяется отрывом специальных рамок) составляет 10—15 кгс/см2. При плохо промытой или частично оглиненной поверхности, в частности по выветривающимся алевролитам, сцепление резко падает, не превышая 5 кгс/см2. В песчаниках на известково-туфовом цементе между породой и покрытием из набрызгбетона образуется тонкий слой пылевидного материала (за счет адсорбции воды из набрызгбетона), препятствующий образованию сцепления покрытия с породой.

Недостаточное сцепление набрызгбетона с породой является основным противопоказанием к его применению в данных условиях. При плохом сцеплении покрытие из набрызгбетона перестает отвечать задачам подземной конструкции, а становится опасной обмазкой, работающей в отрыве от породы и не препятствующей развитию подвижек и деформаций в массиве. Это обстоятельство требует проведения предварительных натурных исследований величины сцепления покрытия из набрызгбетона с породой. Ориентировочно можно полагать что набрызгбетон целесообразно применять при условии, если величина сцепления его с породой не нпже 5 кгс/см2.

Водонепроницаемость набрызгбетона обычно соответствует проектной марке бетона В-8.

Применение набрызгбетона при креплении выработок большого сечения оказывается весьма экономичным. Толщина покрытия, выполненного из набрызгбетона, может быть значительно уменьшена по сравнению с толщиной крепи из монолитного бетона. Сокращается сечение выработки в проходке, трудоемкость работ по возведению крепи уменьшается примерно в 1,5 раза.

Форма поперечного сечения выработки, закрепленной набрызгбетоном, обычно имеет неправильное очертание. Для обеспечения надлежащей устойчивости такой выработки, проходящей в породах средней крепости, неровности во избежание резких концентраций напряжений не должно превышать одной-двух толщин покрытия без ступенчатых переходов. Это обстоятельство определяет необходимость заполнения набрызгбетоном углублений в породе и сглаживания резких выступов. В связи с этим для уменьшения расхода материала большое значение приобретает технология контурного взрывания. При применении набрызгбетона лишь для защиты от выветривания породы толщина покрытия должна быть 3—5 см, в случае же несущего покрытия его толщина может возрасти до 15 см.

Конструкция арочной крепи

При применении анкерной крепи набрызгбетон целесообразно наносить по металлической сетке. Расчеты показывают, что наличие арматурной сетки с ячейками размером 70 X 70 мм из проволоки диаметром 6 мм повышает несущую способность крепи примерно на 2-г)—30%. Применение крепи из анкеров с сеткой и набрызгбетона рекомендуется в породах сильнотрещиноватых, оказывающих горное давление. Толщина покрытия обычно не превышает 10 см.

Конструкция арочной крепи (из двутаврового профиля или в виде решетчатых ферм) в сочетании с покрытием из набрызгбетона рекомендуется преимущественно в мягких породах. Наиболее рациональным решением в данном случае является использование набрызгбетона взамен затяжки между арками, расклиненными в породу. Толщина покрытия составляет от 5 до 15 см. В сильнонарушенных породах целесообразно увеличить эту толщину (до 25 см) с тем, чтобы получить единую конструкцию из металлических арок, сетки и набрызгбетона, который частично закроет сами арки. Несущая способность такой усиленной конструкции, а возможно и с цементацией породы, не ниже железобетонной крепи той же толщины.

При строительстве одного из туннелей диаметром 18 м в Пакистане (110), разрабатываемом в известняках, был проведен интересный эксперимент. На одном из участков вначале породу покрывали тонким слоем набрызгбетона, затем устанавливали и раскрепляли металлические арки. На расстоянии 10 м от забоя проводили повторное нанесение набрызгбетона, увеличивая толщину покрытия между арками до 7—10 см. На другом участке толщину набрызгбетона с самого же начала доводили до 10 см, а затем устанавливали и раскрепляли металлические арки. Измерения показали, что на первом участке тонкий слой набрызгбетона не смог предотвратить оседания породы, и нагрузка на арки достигла высоких значений. На втором участке нагрузка на арки оказалась ниже на 30—40% и не превысила 11 тс/м2.

Комбинированная крепь

При проходке выработок за рубежом в сложных инженерно-геологических условиях применяют уже около 10 лет комбинированную крепь. Крепь состоит из слоя породы, укрепленного анкерами и дополнительно упрочненного цементацией, а также из набрызгбетона, который нанесен на поверхность выработки непосредственно пли по металлической сетке. Податливость такой крепи оказывается ограниченной, так как обеспечивается постоянство формы выработки, в то же время несущая способность крепи является весьма высокой. Это позволяет при правильной очередности вскрытия выработки и возведения крепи осуществлять проходку крупных выработок полным профилем, даже в сильнонарушенных скальных породах.

Каждый элемент комбинированной крепи выполняет определенную задачу, а в комплексе они создают мощную несущую конструкцию. Анкера уменьшают анизотропию породного массива, соединяя отдельные слои породы между собой, повышают сцепление и трение между слоями и отдельными блоками трещиноватой породы. Анкера в пределах нарушенной зоны создают породный свод, способный воспринимать нагрузки от вышележащих слоев породы. Осредненный модуль упругости и другие физико-механические характеристики породы в этом своде оказываются повышенными по сравнению с породой в той же зоне до установки анкеров. При предварительном напряжении анкеров породный свод превращается в обжатую несущую конструкцию.

Набрызгбетон, наносимый на поверхность выработки, как отмечалось выше, омоноличивает породу, укрепляет ее поверхностный слой, повышает сцепление между отдельными блоками породы, предотвращает доступ воздуха и влаги к породе, т. е. препятствует выветриванию наиболее нарушенной зоны пород. Кроме того, само покрытие из набрызгбетона является несущей крепью, способной выдержать существенные нагрузки. При нанесении набрызгбетона на породу по металлической сетке несущая способность крепи возрастает, поскольку сетка распределяет усилия при возникновении местных вывалов породы и повышает способность поверхностного упрочненного слоя к сопротивлению растягивающим и сдвигающим усилиям от воздействия внешних нагрузок.

В сильнотрещиноватых и нарушенных породах, особенно в выработках большого сечения, сочетание анкеров и набрызгбетона не приводит к созданию эффективного несущего породного свода над выработкой. В этом случае дополнительное упрочнение крепи достигается применением укрепительной цементации породы под защитой покрытия из набрызгбетона через скважины, расположенные на расстоянии от 2 до 5 м. Цементный раствор проникает в трещины в породе, омоноличивает породу в пределах всей нарушенной зоны, восстанавливает до естественного состояния свойства породы и даже улучшает ее качество. Применение комбинированной крепи с цементацией породы на шахтах ФРГ и США, а также на Левихинском медном руднике на Урале показало надежность породоанкерного свода и высокую его несущую способность.

При выборе типа комбинированной крепи в выработках различных размеров и в разных инженерно-геологических условиях появляется возможность использования многих вариантов. Несущая способность такой крепи может быть изменена цементацией или отказом от нее, выбором параметров этой цементации (расстояние между скважинами, давление цементации, состав раствора и др.), параметров анкерной крепи (глубина, шаг, диаметр штанг, предварительное напряжение их, конструкции анкеров), выбором толщины покрытия из набрызгбетона, наличия металлической сетки различной конструкции.

Несущая способность комбинированной крепи меняется также в зависимости от очередности выполнения работ по установке анкеров и нанесению набрызгбетона.

Экспериментальными исследованиями, проведенными на строительстве ряда туннелей, установлено, что в породах достаточно прочных и устойчивых набрызгбетон можно наносить на породу после установки анкерной крепи. В нарушенных сильнотрещиноватых скальных породах очередность возведения крепи целесообразно изменить. Сразу же после взрыва зарядов в забое и оборки кровли до начала погрузки породы на поверхность выработки наносят покрытие из набрызгбетона толщиной до 5 см. После погрузки породы через это покрытие пробуривают шпуры, устанавливают анкера и при необходимости навешивают сетку. Этот процесс можно совмещать по времени с бурением шпуров в забое. Далее с отставанием примерно 10 мг т. е. через 2—3 суток после нанесения первого слоя, наносят второй слой набрызгбетона, доводя общую толщину покрытия до расчетного значения (10—15 см).

Этот вывод подтвержден модельными и натурными наблюдениями,, проведенными институтом Оргэнергострой в нескольких подземных выработках Нурекского гидроузла пролетом от 12 до 26 м в 1965— 1969 гг. К такому же результату пришли в США в 1970—1971 гг. при проходке одного из туннелей пролетом около 11 м, сооружаемого для снабжения инженерных войск. В этом туннеле впервые в США была осуществлена аналогичная последовательность возведения комбинированной крепи.

Таким образом, применяя комбинированную крепь, проектировщики и строители располагают прогрессивной и экономичной конструкцией, которую легко можно приспособить к местным условиям в широком диапазоне пород, размеров выработок и действующих нагрузок для обеспечения проходки крупнопролетных выработок полным профилем.