Гидроэнергетика СССР - Обделки камерных выработок

Обделка свода

Наиболее часто кровлю выработок камерного типа для размещения в них машинных залов ГЭС, ГАЭС, помещений для трансформаторов, затворов и другого оборудования закрепляют конструкцией из монолитного железобетона (бетон марки 200—300), выполненной в виде сплошного свода переменной толщины, увеличивающейся к пятам, заглубленным в породу. К обделке свода обычно относят также анкеры и набрызгбетон, применяемые в качестве временной крепи при строительстве камеры. Предварительные параметры железобетонного свода камеры с вертикальными стенами можно определить по данным табл. 16.2.
В отдельных случаях при использовании мостового крана в период строительства камеры и отказе от устройства подкрановых колонн применяют своды с подвешенными к ним подкрановыми путями. Такая конструкция свода применена, например, в машинном зале Ингурской ГЭС. Однако этой экономичной конструкции присущи такие недостатки, как трудность обеспечения монолитного стыка в месте соединения опор со сводом, а также сложность сохранения целика породы под опорами.
Имеются примеры выполнения свода камерных выработок в виде отдельных монолитных железобетонных арок прямоугольного или двутаврового сечения высотой 80—120 см, расположенных на расстоянии 3—6 м вдоль свода. Преимуществом такой конструкции является ее экономичность, недостатком — повышенная трудоемкость и пониженная устойчивость под действием нагрузок, направленных вдоль свода (вывалы породы, сейсмика взрывов).

Таблица 16.2. Параметры железобетонного свода камеры

Примечание, b0 — пролет сюда по осям; d0 — толщина сюда в замке; dn — то же в пятах.

Обделка свода камер в мягких породах может быть возведена также из сборных железобетонных блоков, обжатых в породу домкратами, установленными в замке. Подобные конструкции применяют пока лишь на односводчатых станциях метрополитена, например в Ленинграде, Париже.
В конструкцию обделки свода машзала обычно входят также подвесные декоративные потолки, служащие для вентиляции и гидроизоляции помещений в фильтрующих породах. Декоративные потолки выполняют из тонких железобетонных плит, асбоцемента, армоцемента, волнистой стали и т. п.

Обделка стен

Вертикальные стены камерных выработок сравнительно небольшой высоты, расположенных в прочных устойчивых слаботрещиноватых скальных породах, обычно закрепляют анкерами и оставляют без обделки. В таких выработках устраивают только декоративные стенки (в большинстве случаев из железобетонных плит), располагая их на расстоянии 0,8—1,0 м от породных стен. Эти стенки защищают помещения от небольших отслаивающихся кусков породы и проникновения в них подземной воды, пространство между стенками и породой используется для целей вентиляции и дренажа.
В породах устойчивых, но трещиноватых и выветривающихся, стены камер сравнительно небольших размеров закрепляют анкерами и набрызгбетоном или тонкими (20—30 см) слабоармированными бетонными обделками, прианкеренными в породе.
При выборе размеров анкеров и схемы их расположения надо иметь в виду, что наиболее напряженными оказываются стены в районе пят свода. В этих местах даже в крепких породах могут возникнуть концентрация напряжений и пластические деформации с появлением трещин и вывалов. Развитие трещин предупреждается своевременной установкой анкеров, начиная от верхней части камеры вниз по мере разработки уступов. Нижнюю часть камеры обычно не крепят.
В машинных залах, помещениях затворов, трансформаторных и других камерах, обслуживаемых мостовыми кранами, подкрановые колонны в отдельных случаях используют для крепления стен, для чего вертикальные колонны подкрановых балок анкеруют в скалу и образуется каркас, предохраняющий породу от возникновения сдвигов по трещинам и пластам. Следует отметить, что подобное решение целесообразно применять после завершения деформации стен от действия разгрузки скального массива.
При расположении выработки в прочных скальных породах для опирания подкрановых путей могут оказаться эффективными специальные стержневые опоры, разработанные Средазгидропроектом.
В камерах, сооружаемых в недостаточно прочных и устойчивых породах, устраивают железобетонные стены толщиной 0,4—1,0 м, которые крепят анкерами к породе. В мягких нарушенных породах свод и стены выполняют в виде единой конструкции криволинейного очертания из монолитного железобетона. Торцам камеры в плане придают криволинейное очертание. Надо стремиться избегать расположения камер в подобных инженерно-геологических условиях из-за чрезвычайной трудоемкости подземных работ и высокой стоимости конструкций.

Крепление камерных выработок предварительно напряженными анкерами

Обычная анкерная крепь вступает в работу лишь после появления в скальном массиве каких-либо деформаций. Крепь из предварительно напряженных анкеров предупреждает возникновение этих деформаций и вовлекает породу в активную работу сразу же после натяжения анкеров. Такая крепь позволяет создать вокруг всей камерной выработки или ее части несущую обжатую породную зону, воспринимающую нагрузку от собственного веса и от веса лежащей выше породы, а главное — препятствующую любым подвижкам породы в пределах области горного массива, примыкающей к выработке. Крепь из глубоких предварительно напряженных анкеров в качестве постоянной несущей конструкции стали широко использовать в подземных сооружениях сравнительно недавно, причем с каждым годом область применения этого прогрессивного типа крепи расширяется, и в настоящее время во всем мире все ответственные крупные камерные выработки (например, машзалы ГЭС) крепят предварительно напряженными анкерами в сочетании с покрытием из набрызгбетона толщиной 10— 15 см по металлической сетке.
Существуют два основных типа предварительно напряженных анкеров: из пучка высокопрочных проволок и из отдельных стержней, выполненных из высокопрочной стали. Анкеры из пучка высокопрочных проволок состоят обычно из 18—34 проволок диаметром до 8 мм с нормативным сопротивлением 1300—1800 МПа, причем существуют многочисленные разновидности этой конструкции. Во всех типах рабочую часть анкера от участка заделки отделяют резиновым манжетом, в результате чего после цементации раствором заанкеренная часть оказывается прочно связанной со скалой, а в остальной изолированной части анкера остается возможность свободного перемещения проволок в процессе их натяжения. После затвердевания раствора производят с помощью гидродомкрата натяжение анкера, которое ведут по отдельным проволокам или прядям с фиксацией их в растянутом состоянии. Усилие натяжения анкера равно обычно от 800 до 1500 кН и зависит от числа проволок (прядей) в анкере.
Несколько иная конструкция у анкера, который состоит из пучка (30—50) высокопрочных проволок диаметром 6—8 мм с пределом прочности до 1800 МПа. На дне скважины проволоки (или проволочные пряди) заанкериваются в диск, а на свободном конце — в анкерную головку. Здесь осуществляется натяжение не по отдельным проволокам или прядям, а сразу всего анкера с усилием до 1000 кН.
Анкеры из отдельных стержней также применяют нескольких типов. Наиболее простая конструкция предварительно напряженного анкера представляет собой единичный стержень из высокопрочной стали класса A-IV диаметром 30—60 мм, рассчитанный на усилие 400— 1000 кН. Один конец стержня заделывается в скважине, другой остается свободным и за него осуществляется натяжение. Имеется ряд конструкций анкеров с несущей способностью 1000—17000 кН, состоящих из 6—8 стальных стержней 16—22 мм с нормативным сопротивлением 1500 МПа.

Таблицa 16.3. Обделки камерных выработок

Предварительно напряженные анкеры с усилием натяжения от 800 до 1700 кН применяют обычно длиной от 10 до 20 м с шагом 3—6 м  по длине и высоте камеры. В большинстве случаев длина анкера l=(0,6±0,2)b, где b — пролет камеры.
Параметры предварительно напряженной анкерной крепи (глубина анкеров, расстояние между ними, усилие натяжения) определяют расчетом и в большинстве случаев проверяют на моделях подземных сооружений, выполняемых из эквивалентных материалов. В условиях строительства и эксплуатации организуют натурные исследования по измерению деформаций стен и по состоянию предварительно напряженных анкеров. При необходимости оперативно вносятся коррективы в конструкцию.
Принципы расчета устойчивости стен камерных выработок, закрепленных предварительно напряженными анкерами, разработаны в НИС Гидропроекта и заключаются в следующем. Сначала определяют поле напряжений вокруг камеры методом конечных элементов или другими численными методами теории упругости. Затем выявляют потенциально опасные породные блоки, ограниченные трещинами или прослоями, сдвиг которых под действием напряженного состояния массива и собственного веса может произойти в сторону выработки. После этого определяют зоны вокруг выработок, в которых принятый критерий прочности породы (в частности, Кулона-Мора) удовлетворяется с небольшим запасом по условию напряженного состояния массива (коэффициент запаса менее 1,3). Эти зоны, как и отдельные блоки, должны быть также закреплены анкерами. Расчеты выполняются на ЭВМ по специально разработанным программам.
Глубокие предварительно напряженные анкеры применены, в частности, в подземном машинном зале ГАЭС длиной 150 м, площадью поперечного сечения 1000 м² и объемом 150 тыс. м³. Выработка расположена в метаморфизованных гнейсовых породах, имеющих две системы напластования, крупные трещины и отдельные зоны тектонических нарушений. На основании комплексных исследований, проведенных институтами «Гидропроект» и «Оргэнергострой», машинный зал закреплен анкерами глубиной по 10—14 м с шагом 4 м по длине и высоте камеры, усилие натяжения анкеров составляет 1000 кН. Между предварительно напряженными анкерами и в своде камеры установлены обычные анкеры длиной 3,3—4 м с диаметром штанги 20 мм и шагом от 1,3 до 3,0 м. Стены закреплены набрызгбетоном толщиной 10—15 см по сетке 100х100 мм, выполненной из проволоки диаметром 6 мм.
В настоящее время предварительно напряженные анкеры вошли в ряд проектов, в частности, строящегося подземного машинного зала Рогунской ГЭС, где используются анкеры глубиной 16—22 м и усилием натяжения 1500 кН.
Для предварительного выбора типа обделки свода и стен камерных выработок могут быть использованы рекомендации, приведенные в табл. 16.3.