ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЙСМОУСТОЙЧИВОСТИ БЕТОННОЙ ОБДЕЛКИ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ТОННЕЛЯ ПРИ ВЕДЕНИИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ

Задача обеспечения сохранности горных выработок от сейсмического действия взрыва существенно отличается от других задач сейсмобезопасности. Главное отличие заключается в том, что на сооружения на дневной поверхности в основном влияют поверхностные волны, которые в силу 2-D симметрии испытывают меньшее геометрическое расхождение (и затухание), чем объемные, и соответственно имеют большую амплитуду на дальних расстояниях от взрыва [2]. В данном случае поверхностные волны отсутствуют, поэтому даже довольно близкие взрывы не вызывают никаких разрушений в соседних выработках. В то же время на малых расстояниях объемные волны имеют большую мощность, причем из-за сильной зависимости амплитуды от расстояния незначительное приближение взрывных работ к охраняемому объекту может привести к тяжелым последствиям.

 Поле напряжений цилиндрического заряда ВВ достаточно сложно измерить. Во-первых требуются измерения не только по одной прямой, как в сферическом заряде ВВ, а по всей плоскости, проходящей через ось заряда. Во-вторых поле напряжений зависит от длины заряда и отношения скорости звука в породе к скорости детонации . В-третьих, заранее неизвестны направления главных напряжений. Поэтому и проверка расчётных методов проводилась только в отдельных точках [3].

Хорошая изученность поля напряжений для сферического заряда вызывает естественное желание воспользоваться этими результатами для расчёта напряжений от цилиндрического заряда. Для этого используется метод суперпозиции волн напряжений от отдельных частей цилиндрического заряда, предложенный I. Hwken. Возможность использования метода суперпозиции опереться на удивительное сочетание линейности и нелинейности в поведении горных пород при динамических нагрузках. С одной стороны затухание волн напряжений в горных породах существенно больше, чем в линейно-упругих средах, с другой стороны при этом наблюдается аддитивность напряжений [4]. Такое сочетание линейности и нелинейности, как показал Е.И.Шемякин, объясняется, главным образом, влиянием внутреннего трения. Другая причина заключается в том, что дополнительное затухание и другие нелинейные эффекты сосредоточенны в основном на микротрещинах и границах зерен.

Существует два способа использования суперпозиции при переходе от сферических к удлиненным зарядам. Во-первых, как предложили В.А.Боровиков и И.Ф.Ванягин, удлинённый заряд разбивается на ряд шаров одинокого диаметра; этот способ позволяет наилучшим образом учесть экспериментальные результаты по измерениям волн напряжений и взаимодействиям сферических зарядов, но не даёт возможности производить расчёты для зарядов с параметрами, меняющимися по длине, а также имеет большую погрешность при вычислениях для волн с короткими участками нарастания волн. Во-вторых, удлиненный заряд разбивают на ряд дисков малой толщины, при этом способе легко учесть сложные особенности изменений характеристик заряда и эпюр волн напряжений, но трудно использовать данные по сферическим зарядам.

Нами предложен комбинированный способ разбития заряда на части, использующий оба этих пути и позволяющий учитывать, как результаты измерений для сферических зарядов, так и сложные особенности изменения эпюр волн и характеристик зарядов ВВ. Заряд разбивается на ряд дисков толщиной , каждый из которых является центром в шаре. Толщина элементарного заряда  принимается из условий , где – минимальный радиус заряда по всей длине. Очевидно, такой диск в полном смысле зарядом не является. Временные характеристики волны (длительность положительной фазы и время нарастания) принимаются такими же, как у шарового заряда, центр которого совпадает с центром диска, а напряжения рассчитываются по напряжениям шарового заряда с учетом той доли, которую диск от него составляет.

Учет взаимного влияния зарядов производиться по методу Б.Г. Рулева и Д.А.Харина. Сущность метода заключается в ведении некоторой эффективной массы заряда , которая меньше истинной массы :

                                                           (1)

где: - количество взаимодействующих зарядов;

- предельное расстояние взаимодействия между зарядами, равное 2,4 радиуса зоны разрушения; 

- расстояние между зарядами;

- коэффициент, зависящий от симметрии заряда и коэффициента затухания (в данном случае = 2/3).

В расчётах при использовании формулы 8 принимается во внимание различия «масс» дисков и их положение относительно концов заряда. Отметим, что длинных зарядов данная поправка приводит к снижению напряжений в 2 т более раз.

Расчеты производились для усреднённых характеристик для трещиноватых массивов малой крепости (данные)

В качестве критерия опасности волн напряжений для отделки тоннеля была выбрана скорость смещения. Соответственно, использовалось два критических значения скорости 20 см/с (норма СНиП) и 6 см/с (экспериментально измеренная скорость смещения при прохождении тяжеловесного грузового состава в новом тоннеле).

В таблице 1 представлены предельные расстояния для взрывания зарядов массой 1 кг на расстоянии 0,8 м друг от друга.

Таблица 1

Предельные расстояния для зарядов массой 1 кг

Рассматривалось 2 варианта положения шпуров в серии замедления: параллельно стенке действующего тоннеля (Рис 1) и перпендикулярно (рис 2). Для линии зарядов, расположенной параллельно стенке тоннеля, строго одновременное взрывание шпуров в серии замедления является наиболее опасным. Для линии зарядов, расположенной перпендикулярно стенке тоннеля наиболее очевидный способ не является наиболее опасным, поэтому дополнительно рассматривался маловероятный случай «оптимальной суперпозиции» волн напряжений. Таким образом, в зоне “a” возникают максимальные напряжения, но они безопаснее, чем в первом случае.

Рисунок 1.Наиболие опасный вариант расположения шпуров в серии замедления

Рисунок 2.Менее опасный вариант расположения шпуров в серии замедления

По причинам отсутствия фактических характеристик массива и не высокой точности методики на больших расстояниях от заряда приведённые в таблице 1 величины можно расценивать как первое приближение. Для корректировки используемых в расчётах характеристик массива и получения более точных результатов необходимо 2-3 измерения при взрывании.

На основании проведенных расчетов были сделаны следующие выводы

Взрывные работы в новом тоннеле при расстоянии 30-35 м никакой опасности для отделки тоннеля не представляют. При расстоянии между тоннелями 35 м максимальное значение скорости смещения с учетом контурной щели не превысит 0,5-1 см/с.

Список литературы:

1. Абовский, Н.П. Конструктивная сейсмобезопасность зданий и сооружений в сложных грунтовых условиях. препринт-научное издание. Красноярск. 2009
2. Адушкин В.В., Спивак А.А. Подземные взрывы. М.Наука. 2007.
3. Усманов С.Ф. Учет влияния сейсмического воздействия на устойчивость бортов карьеров. Сб. Современные проблемы механики сплошных сред – 6-й выпуск. Бишкек, НАН КР, 2007.
4. Budkov, G.Kocharyan Constitutive laws of the underground opening collapse due to dynamic load. Trans. Tianjin Univ. Springer -Verlag, 2008.