Конструкция и область применения анкерной крепи

В полускальных и мягких грунтах при проходке тоннелей способом полностью раскрытого профиля выработку обычно закрепляют деревянной крепью. Такая конструкция очень сложна и требует большого расхода дорогостоящего крепежного материала. Сложность работ по устройству такой крепи и загромождение выработки тоннельными фермами исключают возможность механизации производственных процессов.

Временную крепь, применяемую при проходке в скальных породах, устанавливают по контуру выработки, оставляя свободным ее внутреннее пространство. Контурная крепь создает благоприятные условия для комплексной механизации основных работ по сооружению тоннеля и способствует значительному увеличению темпов проходки. К наиболее распространенным системам контурной крепи относятся стальная арочная и анкерная крепи.

Стальная арочная крепь (рисунок 9.49) представляет собой арки (ребра) из прокатных (обычно двутавровых) профилей, которые в случае необходимости могут быть включены в состав бетонной обделки как жесткая арматура.

1 – стяжка; 2 – распорка; 3 – клин

Рисунок 9.49 – Схема арочной контурной крепи

Установка такой крепи производится быстрее, чем деревянной, даже при отсутствии опытных крепильщиков. Это обстоятельство позволяет существенно сократить время цикла и ускорить сооружение тоннеля.

Для обеспечения совместной работы крепи и окружающей породы производят расклинивание зазора между арками и контуром выработки через 1,0…1,5 м. Расстояние между арками принимают в пределах 1,0…1,5 м, кратным глубине заходки.

С целью предупреждения выпадения из кровли кусков породы по ребрам закладывают доски с промежутком не менее 10 см, чтобы при их оставлении за обделкой было обеспечено примыкание бетона к породе. При бетонировании целесообразно снимать все доски, не напряженные горным давлением.

Арочная крепь, поддерживает кровлю выработки снизу, подвергается обжатию, обминается в сопряжениях, что приводит к податливости крепи и развитию деформаций кровли.

Анкерная крепь является разновидностью контурной крепи (рисунок 9.50).

1 – анкер; 2 – профильный металл (швеллер, уголок); 3 – стальная сетка

Рисунок 9.50 – Схема анкерной крепи

Ее работа основана на совершенно ином принципе. За счет обжатия анкерами, прилегающей к ним породы, создается естественный несущий свод, способный воспринимать давление вышележащих слоев породы (рисунок 9.51). В шпур, пробуренный в кровле выработки, вводят стальную штангу 3 на одном конце которой, имеется анкерная головка 1, а на другом резьба для гайки 5. При помощи анкерной головки обеспечивается надежное закрепление анкера в шпуре, после чего на ее нижний конец надевают шайбу 4 и завинчиванием гайки, достигают натяжение штанги силой N.

При этом происходит обжатие породы в пространстве, ограниченном линиями 2, и предотвращается отделение блоков породы друг от друга под действием сил тяжести. Одновременно в результате обжатия породы гайкой, возникают силы трения между пластами породы, препятствующие их взаимному сдвигу, который частично произошел и мог развиваться в результате раскрытия выработки.

Затяжка штанг способствует повышению несущей способности кровли, создает возможность использовать ее для восприятия давления пород, расположенных выше кровли.

Жесткость анкерной крепи больше, чем у других видов крепи, так как в ней отсутствуют обминаемые элементы. Податливость крепи может происходить только в результате недостаточной заделки анкерной головки. При правильном выборе конструкции и параметров анкерной крепи это явление может быть исключено.

Применению анкерной крепи, как правило, предшествует ее испытание в производственных условиях с проверкой правильности принятых параметров крепи и надежности деталей конструкции.

Наряду с выше указанным достоинством анкерная крепь обладает и другими преимуществами:

- свободная от конструкций выработка способствует повышению производительности машин при погрузке и транспортировке породы;

- достигается повышение механизации крепежных работ и сокращения срока их выполнения;

- сокращение расходов на перевозку крепежных материалов;

- устранение опасности повреждения крепи при взрыве в ходе рыхлении породы лба забоя;

- улучшение условий проветривания выработки ввиду отсутствия помех движению воздуха.

1 – анкерная головка; 2 – объем обжатой породы; 3 – стальная штанга; 4 – гайка; 5 – шайба

Рисунок 9.51 - Принцип работы анкерной крепи

Анкеры, имеют различную конструкцию.

По принципу закрепления в породе различают цельнометаллические (клиновые и распорные) анкеры, имеющие контакт со стенками шпура на коротком участке (в замке) и железобетонные (нагнетаемые, набивные, "Перфо"), имеющие контакт со стенками шпура по всей его длине.

Наибольшее распространение получили стальные анкеры клинового типа (рисунок 9.52).

Он представляет собой стальной стержень (штангу) диаметром 25 мм длиной от 1000 до 3000 мм, на одном конце имеется прорезь, в которую вставляется клин, на другом конце резьба, на которую навинчивается гайка с шайбой.

Стержень (штанга) со вставленным в прорезь клином подается в шпур (диаметром 30±1 мм) и добивается обойным молотком со специальной насадкой, предохраняющей резьбу штанги от повреждения при забивке. Клин вбивается в прорезь, и конец штанги прочно расклинивается в шпуре. На выступающий из шпура конец штанги с резьбой надевают уширенную шайбу с гайкой.

При необходимости вместо шайб устанавливают швеллеры или деревянные брусья. Между швеллерами и породой устанавливают дощатую затяжку или металлическую сетку. При необходимости защита породы хорошо обеспечивается торкретированием. Торкретбетон является надежным изолирующим слоем, который позволяет длительное время защищать горные породы от выветривания и сохранять их качества неизмененными.

1- клин; 2 – штанга; 3 – шайба 4 – гайка; К – длина клина. Размеры в мм

Рисунок 9.52 - Конструкция клинового анкера

Для надежной заделки клинового анкера необходимо при бурении выдержать проектную глубину и диаметр шпура. Разность диаметров шпура и штанги должны быть не более 5…6 мм. При правильном для данных условий соотношении между диаметрами шпура и штанги и достаточной толщины клина (обычно равной диаметру штанги), клиновые анкеры имеют надежную заделку в шпуре. В породах с коэффициентом крепости f = 6…10 несущая способность принимается соответственно 9 и 6 тс.

Клиновые анкеры просты в изготовлении, которое может быть налажено в условиях строительства.

Вместе с тем клиновые анкеры имеют ряд недостатков:

- Усилия от натяжения штанги передается стенкам шпура через небольшие площадки контакта. Поэтому клиновые анкеры нельзя применять в слишком мягких и в слишком крепких породах. В первом случае на контакте штанги с породой образуются пластические деформации породы, а во втором - пластическое течение металла. (Они применяются в породах с коэффициентом крепости f = ³ 4 кроме крепких окварцованных пород).

- При забивке штанги в шпур возникает нежелательное сотрясение кровли забоя.

- К точности бурения шпуров предъявляется повышенное требование. При увеличении диаметра шпура по отношению к проектному падает несущая способность заделки. При слишком длинном шпуре клин не войдет достаточно глубоко в прорезь, а при коротком шпуре затруднено затягивание гайки при натяжении штанги.

- Клиновые анкеры нельзя использовать повторно.

Распорные анкеры (рисунок 9.53) расширяются в шпуре за счет расширения головки анкера. Головка анкера состоит из разрезной распорной муфты 2, которая одевается на расплющенную под клин хвостовую часть 3 штанги 4. Угол наклона внутренних поверхностей разрезной муфты соответствует наклону граней клина 3. Половинки муфты закрепляются на штанге проволочным кольцом 1 и удерживаются от сползания вниз установочной трубой 5, которая вторым концом упирается в опорную шайбу 6.

1 – проволочное кольцо; 2 – распорная разрезная муфта; 3 – клин; 4 – штанга; 5 – установочная труба; 6 – опорная шайба; 7 - гайка

Рисунок 9.53 – Конструкция распорного анкера

В собранном виде анкер вставляется в шпур. При затягивании гайки 7 труба перемещает муфту вверх по клиновидной части штанги, пластинки муфты раздвигаются и, прижимаются к стенкам шпура. После удаления установочной трубы производят полное натяжение штанги и проектное обжатие муфты в шпуре.

Распорные анкеры более сложны в изготовлении, но по сравнению с клиновыми имеют значительные преимущества:

- независимость качества заделки от глубины шпура;

- возможность уменьшения диаметра штанги, которая не ослабляется прорезью (постановка анкера осуществляется без забивки);

- возможность извлечения и повторного использования анкера;

- меньшее влияние точности бурения на качество заделки анкера, зависящее от разности диаметра шпура и головки анкера, которая может быть принята очень небольшой (2…3 мм);

- большая поверхность контакта распорной головки со стенками шпура и увеличение прочности заделки при возрастании нагрузки на анкер, что позволяет применять такие анкеры в сравнительно слабых горных породах (f ³3).

Натяжение клиновых и распорных анкеров принимают в пределах от 4 до 5 тс. Прекращение затягивания гайки по достижении проектного напряжения в штанге обеспечивается применением пневмогайковертов с фиксированным крутящим моментом или динамометрических ключей.

Анкерная крепь с выше рассмотренными анкерами является временной, анкеры подвержены коррозии под действием подземных вод. Поэтому постановка стальных незащищенных анкеров требует последующего устройства тоннельной обделки.

К анкерам, которые могут быть использованы в качестве постоянной крепи, относятся разной конструкции железобетонные анкеры (набивные, нагнетаемые, «Перфо»).

Наиболее простыми являются набивныеанкеры (рисунок 9.54). Их устраивают забиванием стального стержня периодического профиля в шпур диаметром 42…46 мм, предварительно заполненный с помощью пневмонагнетателя жестким цементно-песчаным раствором. Уширенный нижний конец имеет отверстие для прикрепления защитной сетки.

Для заполнения шпура применяют цементно-песчаный раствор на глиноземистом цементе марки 400…500 с добавкой 5…6 % хлористого кальция и водоцементным отношением 0,26. Через шесть часов несущая способность анкера составляет 7…10 тс.

В нагнетаемых анкерах применяют цементно-песчаный раствор состава (1:2) с водоцементным отношением 0,6.

Для удержания раствора и штанги в скважине применяют запорные саморасклинивающиеся в устье шпура пробки из капрона или полиэтилена. Цементно-песчаный раствор подают в скважину пневмонагнетателями ПН-1 и АПР-1. Анкер через четыре часа после установки выдерживает 5 тс.

1 – заостренный стержень периодического профиля; 2 – жесткий цементно-песчаный раствор; 3 – отверстие для подвески защитной сетки

Рисунок 9.54 – Конструкция распорного анкера

Анкер типа "Перфо" (рисунок 9.55) состоит из стальной трубки с толщиной стенок 2…3 мм, имеющей отверстия. Диаметр трубки должен быть меньше диаметра шпура на 3…4 мм. Такую трубку, заполненную раствором, вставляют в шпур и заклинивают в устье. Затем в трубку отбойным молотком забивают стержень периодического профиля или гладкий. При этом раствор выдавливается через отверстия трубки и заполняет пространство между стенками трубки и шпура.

1 – стержень периодического профиля; 2 – перфорированная трубка; 3 – пластичный цементно-песчаный раствор

Рисунок 9.55 – Фрагмент конструкции анкера «Перфо»

Анкеры располагают по возможности перпендикулярно слоям породы. В сводчатых выработках анкеры целесообразно располагать по радиальным направлениям. Шаг анкеров в поперечных рядах назначают по расчету. Расстояние между рядами анкеров увязывают с продвижением забоя за цикл так, чтобы в течение каждого цикла нужно было устанавливать одинаковое число анкеров.

Железобетонные анкеры обеспечивают надежную заделку в породах с коэффициентом крепости f ³ 2, являются более долговечными. Они полностью заполняют шпур и способны работать на срез при смещении пластов породы.

Их недостатком является то, что они не обжимают породу, а всего лишь фиксируют состояние кровли выработки, не улучшая ее качественное состояние.

Таким образом, анкерная крепь является весьма эффективным видом временной крепи и может применяться в скальных породах любой крепости.

Одними из перспективных видов анкерной крепи являются сталеполимерные анкеры (СПА). Армирующий стержень такого анкера закрепляется в шпуре быстротвердеющими синтетическими смолами.

В настоящее время широко применяют патронированный способ использования синтетических составов, при котором закрепляющую смесь вводят в шпур в ампулах-патронах из целлюлозы, стекла или полиэтилена. Такая ампула (рисунок 9.56) представляет собой двухкамерную оболочку, одна из камер содержит смолу с наполнителем, другая — отвердитель-инициатор с модификатором.

Армирующий стержень анкера выполнен из стали периодического или гладкого профиля со скошенным концом. При вращении или забивании анкера скошенный конец стержня разрывает оболочку с закрепляющим составом и перемешивает его. При этом обеспечивается высокая степень сцепления стержня с породой.

Разработанные составы и технология возведения СПА позволяют применять их в сухих и обводненных шпурах, а также при отрицательной температуре грунта (до минус 10 °С). Несущая способность СПА уже через 15 мин достигает 90 Н и в течение суток увеличивается до 200…250 кН.

а — введение в конец шпура ампулы-патрона с закрепляющим составом; б — введение в шпур анкерного стержня; в — вращение анкерного стержня с целью разрушения ампулы-патрона и перемешивания закрепляющего состава, досылка стержня до дна шпура; г — анкер в рабочем положении; 1 — полиэтиленовая ампула-патрон с закрепляющим составом; 2 — смесь связующего (смолы) и наполнителя (песка); 3 — отвердитель, заключенный во внутреннюю полиэтиленовую или стеклянную оболочку; 4 — анкерный стержень; 5 — уплотняющая шайба; 6 — натяжная гайка; 7 — плоский опорный элемент

Рисунок 9.56 - Схема установки сталеполимерного анкера

Дата добавления: 2014-12-29