Статический анализ предельного равновесия свода обрушения при проходке подземных выработок в скальных и полускальных грунтах

Статья посвящена совершенствованию методов расчета горного давления в скальных и полускальных грунтах. Необходимость развития теории расчета горного давления вытекает из представ ленного здесь же критического анализа существующей нормативной методики определения этой величины. Отмечены две крупные проблемы нормативной методики: отсутствие методов определения коэффициента крепости, который прямо определяет величину горного давления, и в ряде случаев более высокие значения коэффициента крепости в дисперсных грунтах по сравнению со скальными. Последнее обстоятельство противоречит основной идее теории сводообразования М. М. Протодьяконова, на которой и базируется нормативная методика.

Предлагается два новых метода расчета горного давления: для скальных и полускальных грунтов. Эти методы также базируются на теории сводообразования и содержат статический анализ силового взаимодействия свода обрушения и окружающего грунтового массива в предельном состоянии. При этом выполняется поиск такой высоты свода обрушения, который максимизирует величину горного давления. Отличи тельной чертой предлагаемых методов является использование паспорта прочности грунта для оценки пре дельных усилий. Это позволило напрямую связать высоту свода обрушения и параметры прочности грунта, определяемые в стандартных испытаниях, избегая при этом весьма небезусловных эмпирических зависимостей.

В результате установлено, что при заданных параметрах прочности грунта над выработкой в зависимости от ее ширины либо формируется столб обрушения (вне зависимости от глубины заложения), либо формируется свод обрушения, либо обрушение грунта невозможно. В этой связи предлагается ввести понятия двух критических пролетов подземной выработки. Первый критический пролет отделяет случай полностью устойчивого состояния грунта над выработкой от ситуации, когда над выработкой образуется свод обрушения. При превышении шириной выработки значения второго критического пролета разрушение грунта про исходит по схеме столба обрушения.

1. Борисов А. А. Механика горных пород и массивов. М. : Недра, 1980. 360 с.

2. Геомеханика / И. В. Баклашов, Б. А. Картозия, А. Н. Шашенко, В. Н. Борисов. В 2 т. Т. 2. Геомеханические процессы. М. : Издательство Московского государственного университета, 2004. 249 с.

3. Картозия Б. А. Традиционная инженерная задача геомеханики // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2013. № 1. С. 236–245.

4. Булычев Н. С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах. М. : Недра, 1989. 270 с.

5. Фотиева Н. Н., Воронина И. Ю. Исследование влияния сооружения сервисного тоннеля на напряженное состояние обделок параллельных подводных тоннелей // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2015. Вып. 3. С. 125–134.

6. Фролов Ю. С., Шэнь Ц. Влияние методов поэтапного раскрытия выработки большого пролета на напряженно-деформированное состояние системы «крепь – грунтовый массив» // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2019. № 1 (48). С. 73–83.

7. Литвинский Г. Г. Запредельное поведение пород вокруг горной выработки (порождающее решение) // Сборник научных трудов Донбасского государственного технического университета. 2017. № 6 (49). С. 5–14.

8. Панфилова Д. В., Ремезов А. В. Анализ методик расчета горного давления, возникающего при ведении очистных работ // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2005. № 4-1 (48). С. 48–52.

9. Саммаль А. С., Фотиева Н. Н., Деев П. В. Оценка устойчивости пород вокруг горных выработок при тектонических и сейсмических воздействиях // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2003. № 5. С. 186–189.

10. Чанышев А. И., Абдулин И. М. Два случая запредельного деформирования массива пород вокруг гор ной выработки // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2019. Т. 2, № 5. С. 81–88.

11. Зерцалов М. Г. Механика скальных грунтов и скальных массивов. М. : Юриспруденция, 2003. 184 с.

12. СП 120.13330.2012. Метрополитены. Актуализированная редакция СНиП 32-02–2003. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200095542 (дата обращения: 15.02.2022).

13. СП 122.13330.2012. Тоннели железнодорожные и автодорожные. Актуализированная редакция СНиП 32-04–97. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200095544 (дата обращения: 15.02.2022).

14. СНиП II-44–78. Тоннели железнодорожные и автодорожные. URL: https://docs.cntd.ru/docu ment/1200041182 (дата обращения: 15.02.2022).

15. СНиП 32-04–97. Тоннели железнодорожные и автодорожные. URL: https://docs.cntd.ru/docu ment/901701418 (дата обращения: 15.02.2022).

16. Королев К. В., Стахнев Я. О., Жукова Е. Н. К вопросу о горном давлении и сводообразовании // Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений : труды VI Международной конференции (Екатеринбург, 10–11 апреля 2019 г.). Екатеринбург, 2019. С. 209–215.

17. ГОСТ 21153.8–88. Породы горные. Метод определения предела прочности при объемном сжатии. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200023978 (дата обращения: 15.02.2022).

18. Федоровский В. Г., Безволев С. Г. Метод расчета свайных полей и других вертикально армированных грунтовых массивов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1994. № 3. С. 11–15.

19. Junguo Peng Simplified Method for Calculating Active Earth Pressure Against Rigid Retaining Walls for Co hesive Backfill // Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2019. Vol. 55. P. 374–379.