Расчет набрызгбетонного покрытия как несущей конструкции

3.26. Нагрузки на набрызгбетонную крепь принимают по результатам натурных исследований в условиях строительства.

До проведения указанных исследований нагрузки на набрызгбетонную крепь могут быть оценены расчетным путем в соответствии с действующими нормами проектирования тоннельных сооружений.

3.27. Толщину набрызгбетонного покрытия, используемого в качестве несущей конструкции, определяют следующим образом.

Если по условиям технологии проходки выработки возможно обеспечение гладкого контура (механизированная проходка), то набрызгбетонное покрытие следует проектировать как распорную конструкцию, работающую совместно с прилегающим грунтом, в которой предельное состояние покрытия обуславливается работой на сжатие. В этом случае для определения толщины покрытия следует руководствоваться положениями п. 3.28.

Если по условиям технологии проходки нельзя гарантировать создание гладкого контура выработки и, следовательно, работу покрытия как распорной конструкции, то покрытие из набрызгбетона следует рассчитывать как жесткую пластину, работающую в упругопластическом режиме от нагрузки в виде локального вывала. В этом случае для определения толщины набрызгбетонного слоя следует руководствоваться положениями п. 3.30.

3.28. Для предварительной (ориентировочной) оценки несущей способности набрызгбетонного покрытия как распорной подземной конструкции, работающей преимущественно на сжатие, следует использовать проверку условия:

где Vн - минимальное радиальное смещение контура выработки, м (рекомендуется пользоваться программой типа FOK-4 и FAK-1, приложение 10); Rв - расчетное сопротивление набрызгбетонного покрытия на сжатие по первой группе предельных состояний, МПа (см. приложение 9); R -радиус свода выработки, м; Ен - модуль упругости набрызгбетона (начальный) на сжатие, МПа (см. приложение 9).

Если указанное условие выполняется, то полагают, что прочность набрызгбетонного покрытия будет обеспечена. В противном случае рекомендуется применение анкер-набрызгбетонной крепи.

Если прочность грунта недостаточна для обеспечения устойчивости выработки, то при ровном контуре толщину набрызгбетона следует назначать, исходя из расчета набрызг-бетонного покрытия как монолитной обделки. При этом, учитывая, что технология возведения набрызгбетонной обделки по сравнению с опалубочным бетонированием позволяет существенно снизить разуплотнение массива, особенно в сводовой части выработки, и тем самым способствует большей стабилизации напряженно-деформированного состояния массива, допускается принимать расчетную нагрузку на крепь в этом случае на 30 % меньше по сравнению с нагрузкой на монолитную обделку для этих же условий. Учет влияния неровностей фактического контура выработки на несущую способность такой крепи следует проводить в соответствии с п. 3.29.

Рис. 2. Определение параметров неровностей контура выработки при расчете набрызгбетонной крепи:

— — — проектное очертание выработки

3.29. Отклонение реального контура поверхности выработки от гладкого может явиться причиной появления в вершинах неровностей нежелательных растягивающих напряжений. В этом случае необходимо обеспечить корректировку толщины набрызгбетонного покрытия h _н из условия недопущения растягивающих напряжений в вершинах неровностей.

Характеристиками неровностей являются их среднее число на контуре К_к и их средняя амплитуда

где а _i при i=1, ... К_к определяется как расстояние от наиболее выступающей точки реального контура до хорды, стягивающей два соседних наиболее глубоких участка впадин (рис. 2). При этом в расчетах рекомендуется учитывать неровности с амплитудой а_i ³ 10 см, число которых находится, как правило, в пределах от 8 до 20.

При отсутствии фактических данных среднее число неровностей на контуре К_к рекомендуется определять расчетным путем как половину отношения длины контура к расстоянию между контурными шпурами.

В этом же случае среднюю амплитуду неровностей рекомендуется принимать равной допустимой норме перебора.

Расстояние между шпурами в метрах при опытных взрывах в зависимости от крепости и трещиноватости грунта ориентировочно следует определять по табл. 3, а допустимую норму перебора в сантиметрах - по табл. 4.

Таблица 3

Коэффициент крепости пород	Степень трещиноватости пород
	нетрещиноватые	слаботрещиноватые	трещиноватые и сильнотрещиноватые
4—6	0,6	0,7	0,8
6—8	0,5	0,6	0,7
8—10	0,4	0,5	0,6
10—12	0,3	0,4	0,5

Таблица 4

Выработка	Величина перебора, см
	1 £ f £ 4	4 £ f £ 12
Тоннели	10	15
Штольни	8	8

Результатом опытных взрывов должно явиться определение окончательного расстояния между контурными шпурами и других режимов взрывания, которые обеспечивают достижение заданных критериев состояния поверхности контура тоннелей.

При наличии статистических данных по отклонениям контура тоннеля от проектного при проходке в аналогичных условиях толщину набрызгбетонного покрытия рекомендуется корректировать из условия отсутствия растягивающих напряжений в вершинах неровностей

где - приведенный радиус выработки, м; S _в - площадь поперечного сечения выработки, м²; l* -коэффициент, характеризующий соотношение жесткостей породы и набрызгбетона, определяемый по табл. 5.

Таблица 5

Породы	Средний радиус выработки rср, м
	3	6	9	12
Туфы	2,4	4,8	7,2	9,6
Глинистые сланцы	4,8	9,6	14,4	19,2
Известняки плотные	7,8	14,4	21,6	28,8
Песчаники	10,8	21,6	32,4	43,2
Граниты, диориты	84	118	252	336
Гнейсы	51	102	153	204

Если данное условие не выполняется, необходимо уменьшить межанкерное (межарочное) расстояние а, исходя из необходимой толщины слоя набрызгбетона h_н.

3.30. Ориентировочно, с последующей корректировкой по результатам наблюдений, толщину набрызгбетонного покрытия при неровном контуре выработки (не выполняются требования п. 3.28) рекомендуется определять по формуле, м:

0,03 < h_H < 0,20 м, f_кр.р  ³ 2,

где m ₁, т₂, т₃ - коэффициенты условий работы, учитывающие соответственно общую конструкцию крепи (обделки); качество сцепления покрытия с грунтом; армирование покрытия; т₁=1 - при анкер-набрызгбетонной крепи; 1,15 - при арочно-набрызгбетонной крепи или арочно-анкер-набрызгбетонной крепи; 3,3/f _кр.р - в инженерно-геологических условиях, когда допустимо применение в качестве крепи одного набрызгбетона (обеспечивается эффективное использование несущей способности пород); m₂=1 - когда гарантируется хорошее сцепление покрытия с грунтом; 1,5 - когда имеется опасность нарушения сцепления покрытия с грунтом например при обводненной поверхности выработки; т₃=1 - покрытие без учета армирования или без армирования; 0,8 - с учетом армирования покрытия сеткой, стержнями, устанавливаемыми конструктивно; и - характерный размер возможного вывала, м; g _гр - объемный вес грунта вывала, МН/м³ (при отсутствии фактических данных рекомендуется принимать g _гр=0,0245 МН/м³=2,5 тс/м³); R_bt - расчетное сопротивление набрызгбетона на осевое растяжение по первой группе предельных состояний, МПа (см. приложение 9, табл. 1); f _кр.р - расчетное значение коэффициента крепости грунта «в массиве» (приложение 11);

Значение и принимают в зависимости от следующих условий:

в случае анкер-набрызгбетонной крепи и принимают равным наибольшему расстоянию между анкерами;

в случае арочно-набрызгбетонной крепи и принимают равным шагу арок;

в случае комбинации анкеров, арок и набрызгбетона и принимают либо по межанкерному расстоянию, либо по шагу арок в зависимости от того, какой из этих элементов конструкции крепи принят за определяющий (основной);

в случае применения набрызгбетона как самостоятельной крепи, покрытие рассчитывают на вывал в своде, принимая u=B/4, где B - пролет выработки «вчерне», м.

По конструктивно-технологическим соображениям в общем случае принимают толщину h_H покрытия одинаковым в своде и в стенах. Допускается принимать разную толщину набрызгбетонного покрытия в своде и в стенах, если это целесообразно по результатам наблюдений за состоянием крепи.

Данная формула получена расчетом по предельному состоянию круговой пластины, работающей в упругопластическом режиме, защемленной по краям. При этом учитывается несовершенство защемления пластины по контуру; неровность поверхности и изменения толщины покрытия по площади пластины; частичное включение в работу пластинки омоноличиваемого в процессе набрызга поверхностных слоев грунта (коэффициент надежности по нагрузкам на пластину в расчетах принят равным 1,6).

3.33. При повышенных требованиях к надежности расчетов набрызгбетонной крепи (например, при использовании в качестве обделки) следует применять соответствующее математическое обеспечение по расчету крепей и обделок на ЭВМ (см. прил. 10).

Организация работ

3.34. В комплекс работ по возведению набрызгбетонного покрытия (крепи) входит: подготовка поверхности выработки, послойное нанесение покрытия, уход за свеженанесенным покрытием, контроль качества. В конструкциях крепи, содержащих помимо крепи другие элементы (анкеры, арки, металлическую сетку) в комплекс работ входит также установка и монтаж этих элементов.

3.35. Допустимое отставание возведения набрызгбетонного покрытия от забоя и порядок выполнения операций устанавливается проектом, исходя из конкретных инженерно-геологических условий. Наибольший эффект от применения набрызгбетона достигается при нанесении покрытия сразу после обнажения пород.

3.36. В невыветривающихся грунтах с устойчивостью выше средней допускается наносить набрызгбетонное покрытие с отставанием от забоя на 50 м и более (уточняется в процессе проходки).

В слабовыветривающихся грунтах средней устойчивости и ниже набрызгбетонное покрытие следует наносить без отставания от забоя. При буровзрывном способе покрытие наносят сразу после уборки породы.

В сильновыветривающихся грунтах, склонных к образованию локальных вывалов, интенсивному разуплотнению и трещинообразованию, отставание в нанесении набрызгбетонного покрытия не допускается. При буровзрывном способе проходки первый слой набрызгбетона следует наносить на свод и доступную часть стен после взрывания сразу после проветривания и оборки; последующие слои покрытия наносят после уборки породы.

Для крепления тоннельных выработок в плотных глинах естественной влажности (типа протерозойских) рекомендуется применение дисперсно-армированного набрызгбетона с армирующими волокнами и арматурными стержнями, которые устанавливаются по своду выработки и опираются одними концами в штрабу лба забоя, а другие их концы заводятся между грунтом и набрызгбетоном предыдущей заходки (рис.3).

3.37. Доведение набрызгбетонного покрытия до проектной толщины может выполняться сразу или поэтапно, что должно быть определено проектом, исходя из скорости проявления горного давления и особенностей технологии работ.

Рис. 3. Пример крепления тоннельных выработок в плотных глинах типа протерозойских:

1 - набрызгбетон; 2 - металлические стержни; 3 - «штраба»; 4 - лоб забоя

3.38. В зависимости от конкретных инженерно-геологических условий и принятой схемы организации работ операции по возведению крепи могут выполняться циклично отдельными заходками в соответствии с продвижением забоя или по поточной схеме после окончания проходческих работ на достаточно большой длине тоннеля.

3.39. Непосредственно перед нанесением набрызгбетона на поверхность выработки необходимо очистить ее от отслаивающихся кусков породы, продуть сжатым воздухом и промыть водой при давлении в шланге 0,2 - 0,3 МПа (промывка исключается, когда набрызгбетон наносят на слабые породы, склонные к размоканию, или на породы с отрицательной температурой).

3.40. При наличии фильтрации и сосредоточенных течей на поверхности породы вода должна быть отведена до нанесения набрызгбетона. Для этого в местах концентрированных течей следует пробуривать шпуры на глубину 10 - 20 см и устанавливать в них водоотводные трубки. Для выбора способа нанесения набрызгбетона на обводненные поверхности рекомендуется пользоваться данными приложения 12.

3.41. При возведении набрызгбетонных покрытий на обводненных поверхностях рекомендуется применять добавки для ускорения схватывания и твердения (см. приложение 6).

3.42. При нанесении набрызгбетона на поверхность породы с отрицательной температурой необходимо очистить ее от льда, продуть сжатым воздухом и при необходимости пескоструйным аппаратом. Промывать породу водой не следует во избежание образования ледяной корки.

3.43. Набрызгбетонирование армированных покрытий должно производиться при соблюдении следующих требований: арматурная сетка должна иметь ячейки размерами не менее 100 х 100 м при диаметре проволоки 2 - 4 мм и отстоять от поверхности породы не менее чем на 2 см.

3.44. Сетку прижимают к поверхности выработки, с помощью стержневых подхватов, заводимых за опорные плитки анкеров или привариваемых к выступающим концам анкеров.

При необходимости дополнительного крепления армосетки, например, в случае больших неровностей контура, следует устанавливать специальные монтажные анкеры длиной 0,4 - 0,6 м или заделывать проволочные скрутки в первый (защитный) слой набрызгбетона. При резких колебаниях рельефа контура выработки, например при местных вывалах, для обеспечения требуемых зазоров сетку рекомендуется разрезать и концы ее подогнуть внутрь впадины с последующим дополнительным армированием в местах таких разрезов

3.45. В грунтах, склонных к размоканию или интенсивному разуплотнению из-за выветривания, трещинообразования и т.п., анкеры и сетку следует устанавливать после нанесения первого слоя, при этом надо применять анкеры на омоноличивающих составах, не содержащих воду, например на полимерной основе, а шпуры бурить без промывки.

При использовании набрызгбетона в комбинации с арочной крепью арки рекомендуется монтировать после нанесения первого (выравнивающего) слоя набрызгбетона.

При использовании решетчатых (арматурных) арок набрызгбетонирование выполняется после установки арки и монтажа арматурной сетки.

3.46. Сухую смесь для набрызгбетона следует, как правило, приготовлять централизованно на механизированных бетонных узлах при соблюдении точности дозирования по ГОСТ 7473-76.

Приготовление сухой смеси непосредственно в забое допускается при ограниченных объемах работ в случае, когда невозможно обеспечить доставку сухой смеси в забой в герметичных сосудах за время, меньшее времени схватывания цемента.

Максимальный срок доставки и хранения сухой смеси от момента ее приготовления до момента использования не должен превышать двух часов.

3.47. Доставку сухой смеси следует, как правило, выполнять в закрытых емкостях, капсулах или в сосудах, обеспечивающих ее побуждение, например в бетоносмесителях.

3.48. При ограниченных объемах работ и при коротких плечах возки в сухих выработках допускается доставка сухой смеси в шахтных вагонетках, контейнерах или кузовах автосамосвалов.

3.49. Набрызгбетонирование рекомендуется выполнять механизированным способом с помощью установленного на манипуляторе сопла, управление которым осуществляется оператором из защищенной кабины. Набрызгбетонирование с ручным вождением сопла целесообразно при малых габаритах выработки и незначительных объемах работ.

3.50. Набрызгбетон следует наносить слоями по 5 - 6 см. При применении быстротвердеющих смесей допускается увеличивать толщину слоев при условии неоплывания свежеуложенного материала и обеспечения его плотности в конструкции не менее 2,2 г/см³.

3.51. Для уменьшения количества отскока нанесение первого (выравнивающего) слоя набрызгбетонного покрытия на породу рекомендуется выполнять смесью без крупного заполнителя (гравия или щебня).

3.52. Набрызгбетонное покрытие следует наносить горизонтальными полосами последовательно снизу вверх, равномерно перемещая сопло по спирали вдоль полосы. Длина участка бетонирования и соответственно длина, и ширина горизонтальных полос на этом участке принимаются в зависимости от организации проходческих работ, технических па­раметров и возможностей манипулятора.

При нанесении покрытия следует обеспечивать перекрытие свежим слоем ранее уложенного покрытия на величину не менее 20 см.

3.53. Для получения покрытия требуемого качества давление воздуха Р_н.м в набрызгбетон-машине следует регулировать в зависимости от длины материального шланга, его диаметра, длины горизонтальных z_r и вертикальных участков z_b и количества поворотов шланга п. Ориентировочно параметры режима работы набрызгбетон-машины камерного типа при диаметре материального шланга (бетоновода) 50 мм рекомендуется определять по выражению:

Р_{н.м =} Р_а + a z_r + b z_B + dn,

где Р_а - начальное давление при длине шланга 20м, равное 0,09 - 0,10 МПа; a - коэффициент потери давления на горизонтальном участке (для резиновых шлангов равен 0,0022 - 0,0025); b - коэффициент потери давления при подъеме смеси (для резиновых шлангов равен 0,007 - 0,0076); d - коэффициент потери давления при повороте трубопроводана90° (для резиновых шлангов равен 0,039 - 0,045).

Давление воздуха в набрызгбетон-машине роторного типа с диаметром материального шланга 65 мм рекомендуется принимать в зависимости от длины бетоновода следующим:

Длина бетоновода, м                                                 Давление в

машине, МПа

20 ............................... 0,2-0,25

40 ...............................0,25-0,35

60 ...............................0,35-0,45

80 ...............................0,45-0,50

Давление воздуха в машине необходимо уточнять опытным путем в зависимости от влажности смеси, крупности заполнителя и дозировки смеси, приняв за исходное давление, определяемое по пп. 3.55.

3.54. В процессе нанесения струя набрызгбетона должна быть направлена перпендикулярно к бетонируемой поверхности, а расстояние от сопла до этой поверхности - в пределах 0,7 - 1,5 м в зависимости от состава исходной смеси.

Так, при соотношении (Ц+П) : Щ ³ 2 сопло рекомендуется располагать на расстоянии 0,7 - 1 м, а при (Ц+П) : Щ < 2 - на расстоянии 1,1 - 1,5 м с последующим уточнением на месте по результатам пробного нанесения покрытия.

3.55. Толщину набрызгбетонного покрытия следует контролировать с помощью специальных маяков (из цементного теста либо в виде металлических штырей), устанавливаемых в наиболее характерных точках сечения тоннеля, или с помощью передвижных лекал, а также маркшейдерскими замерами.

3.56. Для предотвращения деформаций и сохранения структуры свежеуложенного бетона проектом должны устанавливаться минимальные сроки между нанесением последующих слоев, которые следует уточнять по месту строительной лаборатории, исходя из скорости твердения бетона, температуры воздуха и прочих факторов, определяющих сроки набора набрызгбетоном требуемой прочности. При этом каждый последующий слой набрызгбетона разрешается наносить после приобретения предыдущим слоем прочности не менее 1 МПа.

При применении обычных цементов и добавок-ускорителей очередной слой набрызгбетона ориентировочно можно наносить через 20 мин на стены и 40 мин на свод.

При отсутствии добавок-ускорителей схватывания и твердения интервалы времени между нанесением слоев должны составлять не менее 2 ч.

3.57. Содержание воды в смеси устанавливает (регулирует) оператор по визуальной оценке: при пылении следует увеличивать расход воды до прекращения пыления, а при оплывании свежеуложенного бетона - уменьшить расход до прекращения оплывания.

При использовании водяного насоса для подачи воды расход ее следует назначать в соответствии с приложением 7, п. 15.

3.58. Набрызгбетон в период схватывания и твердения должен быть предохранен от замораживания, высыхания, сотрясений, механических повреждений и химических воздействий до набора прочности не менее 0,1 МПа.

3.59. Набрызгбетон через сутки после нанесения необходимо увлажнять распыленной струёй воды не менее 2 раз в сутки в течение 7 дней. При относительной влажности воздуха в тоннеле более 90 % допускается поливать набрызгбетон 1 раз в сутки.

При снижении температуры воздуха ниже плюс5 °Сувлажнять набрызгбетон не требуется.

3.60. Для предохранения поверхности набрызгбетона от высыхания рекомендуется покрыть ее раствором эмульсии или лака (поливинилацетатной эмульсией ПВА, поливинилхлоридной эмульсией ПВХ, этиленовым лаком и т.п.), наносимыми методом распыления.

3.61. Во избежание попадания воды из сопла в материальный шланг сопло в перерывах между нанесением покрытия следует держать насадкой вниз.

3.62. Возведение крепи из набрызгбетона должно выполняться оборудованием, обеспечивающим механизированное транспортирование, приготовление и нанесение смеси. В состав оборудования следует вводить:

транспортные средства для доставки смеси или ее составляющих к месту работы;

смесительное оборудование, обеспечивающее приготовление и тщательное перемешивание смеси;

дозирующие устройства;

механизмы для перегрузки сухой смеси с транспортных средств в смесительное оборудование;

машину для нанесения набрызгбетона;

загрузочное оборудование для подачи сухой смеси в машину;

резервуар с водой, обеспечивающий подачу ее к соплу под давлением;

устройства и приспособления для управления движением сопла в процессе набрызга.

Оборудование надлежит комплектовать в зависимости от конкретных условий производства.

При этом в зависимости от конкретных условий производства работ используются два основных типа:

передвижной набрызгбетонный узел, включающий набрызгбетон-машину в сочетании с самоходным или перемещаемым тягой агрегатом для нанесения набрызгбетона и установки анкеров, а также доставочными рельсовыми или безрельсовыми средствами;

технологический состав для доставки в выработку и подачу к соплу сухой смеси в сочетании с самоходным или перемещаемым тягой агрегатом для нанесения набрызгбетона и установки анкеров.

Основное технологическое оборудование современных механизированных комплексов для набрызгбетонирования приведено в приложении 13.

3.63. Монтаж армосетки при армировании набрызгбетонного покрытия надлежит проводить с буровой рамы, люлек самоходных буровых агрегатов или специальных тележек.

3.64. Оборудование механизированных комплексов следует монтировать на передвижных или самоходных транспортных средствах (шасси, тележках, платформах, автомобилях и пр.) в соответствии со схемами, приведенными в приложении 14.

3.65. В состав механизированных комплексов должны, как правило, включаться также следующие приспособления, инструменты и средства малой механизации:

сборники ручные для контроля состояния кровли;

телескопные перфораторы (или перфораторы с пневмоподатчиками) с буровым инструментом для разовых малообъемных буровых работ;

сварочный трансформатор для монтажа поддерживающего каркаса армосетки и срезки выступающих концов анкеров;

маневровые лебедки для перемещения технологических платформ и тележек в рабочей зоне прирельсового транспорта;

тормозные башмаки (для технологических тележек и платформ в прирельсовом транспорте);

комплект предупредительных знаков и сигналов для обозначения границ опасных зон.

3.66. Для обеспечения энергией отдельных механизмов технологического оборудования их электрические кабели воздушные и водяные шланги должны быть оснащены быстроразъемными соединениями для подключения оборудования к соответствующим тоннельным коммуникациям.

3.67. Организация работ по возведению конструкций крепления из набрызгбетона должна определяться общей схемой организации строительства, т.е. принятыми в проекте транспортной схемой, типом используемых при строительстве транспортных средств, способом и местом приготовления сухой смеси, технологией набрызгбетонных работ и т.п.

Основные схемы организации работ и рекомендации по их выбору приведены в справочном приложении 13.

3.68. Оборудование для нанесения набрызгбетона должно быть обеспечено электроэнергией, сжатым воздухом и технической водой. Давление сжатого воздуха в сети должно быть не менее 0,5 МПа (5 кгс/см²), расход 8 - 10 м³/мин на одну машину. Давление воды должно превышать давление воздуха не менее чем на 0,1 МПа (1 кгс/см²) при расходе не менее 12 л/мин.

3.69. В случае приготовления сухой смеси вблизи объекта на специальном бетонном заводе ее доставку в выработку следует производить в технологических сосудах или в герметичных капсулах.

3.70. Сухую смесь рекомендуется приготовлять централизованно на бетонных заводах с упаковкой в капсулы или мешки, что позволяет стабильно обеспечить требуемое качество покрытия, улучшить санитарно-технические условия на рабочем месте при большей простоте механизации работ и меньших потерях сухой смеси.

3.71. Ведение взрывных работ в непосредственной близости от покрытия из набрызгбетона допускается при наборе им прочности не менее 1 МПа (10 кгс/см²).