Крепь, формуемая взрывом
При строительстве подземных сооружений (емкости, шурфы, устья стволов и др.) в суглинках и глинах используют способность грунтов уплотняться под действием взрыва. При этом способе по оси будущей выработки бурится скважина (зарядная камера), заполняется взрывчатым веществом, осуществляется взрыв заряда и энергия взрывных газов образует в грунте выработку, форма и размеры которой обусловлены массой заряда, его формой и физико-механическими свойствами грунта. Преимущества такого способа производства проходческих работ в низкой стоимости и высокой производительности.
Исследованиями и практикой строительства установлено, что строительство подземных сооружений камуфлетными взрывами целесообразно осуществлять в неводонасыщенных глинистых породах с числом пластичности более восьми и показателем простреливаемости не менее 0,1 м3/кг. Выработка, пройденная камуфлетным взрывом, окружена зоной уплотненного грунта, что повышает ее устойчивость. Однако надежность устойчивости таких выработок невелика, так как их стенки нарушены взрывными трещинами, что приводит к вывалообразованию. Разработаны способы крепления таких выработок сборными бетонными и монолитными набрызгбетонными крепями. Однако возведение таких крепей в пройденной взрывом выработке трудоемко и опасно, поэтому эти способы не нашли широкого применения в практике подземного строительства.
Практический интерес представляет нетрадиционный способ строительства таких подземных сооружений, разработанный во ВНИИпромгазе с МакИСИ.
В результате исследований было предложено совместить технологические приемы проходки и крепления с использованием энергии взрыва для образования полости и одновременного формования бетонной крепи. Такой способ сооружения выработки практически исключает затраты на ее крепление. В основу предложения была положена гипотеза о том, что бетон в период схватывания обладает тиксотропными свойствами и способен под высоким импульсным давлением переходить в жидкое состояние. Это свойство твердеющего бетона позволило применить его в качестве материала для крепления выработок, сооружаемых взрывом с одновременным формованием крепи. Причем в процессе образования подземной полости слой твердеющего бетона между расширяющимися взрывными газами и грунтом, воспринимая ударный импульс, сжимается, оказывая демпфирующее действие, снижающее эффект трещипообразования в грунте.
На основании принятой гипотезы была разработана технологическая схема сооружения подземной полости: зарядная камера проходилась такой емкостью, чтобы в ней по оси размещалось взрывчатое вещество, а между зарядом и грунтом материал крепи — бетон. Для придания заряду необходимой формы его помещали в жесткую оболочку. Взрыв производился при наборе бетоном прочности, обеспечивающей его пластическое деформирование энергией взрыва. Расширяющиеся взрывные газы через слой бетона уплотняют грунт и, расширяя полость, формуют ее бетонную крепь. Взаимодействие энергии камуфлетного взрыва обусловлено известными закономерностями, что позволяет прогнозировать необходимую массу заряда для строительства подземной емкости с заданными параметрами. Основной характеристикой рассматриваемого процесса является показатель простреливаемости грунта (отношение объема полости, образованной взрывом, к массе взорванного заряда). Исходя из предположения о неизменности объема бетона до и после взрыва и из того, что слой бетона перемещается радиально по отношению к оси заряда, установлена связь между размерами зарядной камеры rк, сооружаемой емкости Rп и толщиной крепи б (рис. 3.6 и 3.7): при сферической форме заряда
где П — простреливаемость грунта, м3/кг; рвв — плотность заряжания BB, кг/м3; rк, Rп, b — размеры соответственно зарядной камеры, емкости и толщина крепи, м;
- при цилиндрической
- при конической
где а — угол конусности заряда.
Для применения нового способа сооружения выработок необходимо знать параметры бетона, поддающегося формованию под действием взрыва. Аналитическое решение этой задачи вследствие сложности рассматриваемого процесса оказалось невозможным. Поэтому параметры бетона, формуемого взрывом, находились экспериментально.
Для исследования механизма образования подземной емкости взрывом с одновременным формованием бетонной крепи и определения технологических параметров его осуществления в практике строительства было построено 33 подземных емкости различных форм и объемов на испытательном полигоне ВНИИ-промгаза, пункте складирования отходов сельскохозяйственного производства в Ростовской области и промплощадке шахты Южно-Донбасская № 1 в Донбассе. Инженерно-геологические условия участков приведены в табл. 3.6.
Определяющим параметром .формования была выбрана прочность твердеющего бетона. При недостаточной прочности отформованный бетон, образующий крепь, оплывает и отслаивается, а при превышении определенного предела прочности теряет тиксотропные свойства и формуется с нарушением сплошности крепи. Для определения прочности бетона был использован метод испытания образцов на раскалывание. Прочность твердеющего бетона в конструкции определялась по контрольным образцам, выдерживаемым в аналогичных температурно-влажностных условиях.
Технологически предложенный способ реализовывался следующим образом. Скважину с пустотообразователем в виде трубы, установленной по оси, заполняли бетонной смесью. После набора бетоном заданной прочности на растяжение труба извлекалась, отверстие заполнялось взрывчаткой и производился взрыв, создающий в грунте полость и одновременно формующий бетонную крепь. Время взрывного формования определялось' по прочности контрольных образцов. При сферической и конической формах заряда (и, следовательно, выработки) его помещали в оболочку, оставляемую в бетоне. После набора бетоном проектной прочности выработка вскрывалась, определялись ее размеры, толщина и состояние крепи, отбирались и испытывались образцы бетона.
С целью повышения достоверности полученных данных экспериментами был охвачен достаточно широкий диапазон условий: толщина крепи — от 10 до 145 мм, диаметр выработки — от 0,32 до 6,2 м, глубина — от 3 до 30 м, масса заряда — от 750 г до 1300 кг. Прочность бетона в момент формования взрывом изменялась от 5 до 40 кПа. Для изготовления - бетонной смеси применялись портландцемент, тампонажный цемент и шлакопортландцемент. Масса цемента в 1 м3 смеси изменялась от 200 до 600 кг, используемый щебень имел размеры от 5 до 20 мм в зависимости от толщины крепи. Осадка стандартного конуса изменялась от 6 до 18 см.
Масса составных частей бетона, использованных в экспериментах, приведена в табл. 3.7, а результаты исследований — на рис. 3.8.
Анализ результатов экспериментов показал, что твердеющий бетон формуется в диапазоне прочности на растяжение от 5 до 12 кПа. При больших значениях ор в крепи появляются трещины. Плотная укладка смеси, обеспечивающая формование, достигается при осадке стандартного конуса 12—15 см.
Сравнение результатов испытания, эталонных образцов и образцов, отформованных взрывом, показало, что прочность бетона в результате взрывного воздействия повышается на 5—32% (табл. 3.8).
В процессе исследования установлено, что существует критическая толщина формуемой крепи. Уменьшение толщины ниже этого предела приводит к трещинообразованию в бетоне и грунте. Минимальная толщина формуемой оболочки определяется условием
где r3 — радиус заряда.
Условия камуфлетного взрыва при одновременном формовании полости и бетонной оболочки несколько отличаются от традиционного способа взрывного. сооружения подземных камер, так,как энергия взрыва воздействует на грунт через слой бетона. Однако сравнение результатов сооружения выработок с бетонной оболочкой и без нее показало, что наличие бетонной прослойки между взрывными газами и грунтом не влияет на простреливаемость грунта, так как энергоемкости деформирования твердеющего бетона и грунта примерно равны.
Технологические схемы работ по сооружению вертикальных выработок в грунте понятны из рис. 3.6 и 3.7. Устье камеры предварительно крепят на глубину трех—четырех радиусов выработки.
Основной характеристикой рассматриваемого процесса является показатель простреливаемости грунта Ппр (в м3/кг), определяемого экспериментально пли принимаемого из значений, приведенных ниже.
Проведенные исследования позволили разработать методику проектирования подземных емкостей, сооружаемых взрывами с одновременным формованием бетонной крепи, и технологию их строительства, которая была апробирована.
По заданным параметрам (глубине заложения емкостей, простреливаемости грунта, толщине крепи) определялась масса заряда Q:
- при цилиндрической форме емкости
где L3 — длина заряда, м;
- при конической форме емкости
где Nк — безразмерная величина, определяющая характер действия взрыва на грунт (для камуфлетного взрыва Nк=0,032); K' — величина заряда выброса, определяемая по справочным таблицам (для данного грунта К' = 1,3 кг/м3); H — глубина заложения заряда, м.
Радиус зарядной камеры rк определялся по формулам (3.8) и (3.9).
Количество бетона для крепи находилось путем определения разности между объемами зарядной камеры и заряда.
Приведенная методика использовалась для расчета параметров нового способа при строительстве подземных емкостей промышленного значения. Достоверность зависимостей оценена сравнением фактической и расчетной толщины крепи. Отклонения составили 8—20%.
С использованием нового способа сооружены три камеры объемом от 90 до 300 м3 в Ростовском объединении «Сельхозхимия» и Ставропольском заводе химреактивов и люминофоров (табл. 3.9).
