Современная практика строительства подземных сооружений показывает, что скорость проведения горных выработок зависит от типа и материала крепи, технологии и степени механизации её возведения. А это в свою очередь влияет на стоимость объекта и сроки введения в эксплуатацию. Одним из направлений снижения затрат на крепление горных выработок является применение набрызгбетонной крепи, которая позволяет не только уменьшить площадь поперечного сечения выработок в проходке, но и максимально механизировать ее возведение.

Эксплуатационные свойства торкретбетонной крепи и экономическая целесообразность её применения зависит не только от горно-геологических и горно-технических факторов, но и от физико-механических и физико-химических свойств исходных компонентов бетонной смеси и технологии возведения крепи.

При строительстве станций метрополитена г. Алматы в не устойчивых породах (галечник) временная крепь выполняется из армированного торкретбетона марки В25. Толщина конструкции согласно проекта по сводовой части принимается 300 мм, по лотку и штроссе 400 мм, при соотношении цемента и песка 1:2. В существующей практике строительства метрополитена г. Алматы нанесение торкретбетона в подземных условиях толщиной 300 – 400 мм производят в 4 слоя, последовательно возвращаясь к бетонируемому участку выработки несколько раз. Такая технология набрызгбетонирования имеет ряд недостатков. Послойное нанесение торкретбетона снижает прочность покрытия, увеличивается отскок. Также, при традиционном набрызгбетонировании наиболее трудоемкими являются арматурные работы. Изготовление сеток, каркасов, установка арматурных арок и закрепление ее в проектное положение. Что влияет на экономические показатели в связи с увеличением потерь материалов. С точки зрения организации работ, необходимо неоднократно перемещать оборудование в одно и то же место выработки, прерывать или замедлять выполнение других операций проходческого цикла, увеличивать продолжительность и затраты труда на крепление.

На основании вышеизложенного сотрудниками кафедры «Разрушение горных пород и шахтное строительство» КазНТУ во главе с заведующим кафедрой, профессором, доктором технических наук Бегалиновым А.Б., были проведены исследования, по влиянию состава торкретбетонной смеси на уменьшение толщины временной крепи при креплении кровли станции метрополитена г. Алматы. Испытывали 3 опытных состава, отличающихся соотношениями полимерного латекса, полипропиленового фиброволокна и капроновой щетины.

Промышленное испытание было проведено в СТП ст. «Байконур» на ПК 55+29,600 ? ПК 55+26,257 (закрытый способ), а также на на оборотном съезде ст. «Алатау» (открытый способ).

Работы по нанесению торкретбетона на основе синтетического латекса, фиброволокна и капроновой щетины на поверхность выработки выполнялись в соответствии с требованиями СНиП III-15-76.

Приготовление фибробетонных смесей осуществлялось в БСУ- 1000 АО

«Алматыметрокурылыс» течение 10-15 минут при следующей очередности загрузки компонентов: песок, цемент, вода с добавкой синтетического латекса СКС-65 ГП марки «Б», фибрволокно.

В качестве цемента был использован Усть-Каменогорский портландцемент М400, и песок с модулем крупности Мкр=2,14. Фракция щебня – 5- 10мм. Состав исходного бетона характеризовался водоцементным отношением В/Ц - 0,35. Для повышения степени сцепления и прочности бетонной смеси вводился синтетический латекс СКС-65 ГП марки «Б» в количестве 2% от массы цемента. В качестве дисперсной арматуры использовались:

• фибра капроновая размером d х l = 0,4 х 20 мм с волнистым анкером по длине, круглого поперечного сечения;
• фибра полипропиленовая размером d x l =0,6 x 32 мм, круглого поперечного сечения Нанесения торкретбетона производилось машиной «Meyco Potenza» С объемом вместительного бункера 0,3 м3, длина вылета стрелы 7,5 м. Общая длина машина 14 м. Подача набрызгбетона производилось под давлением от 5 до 6 атмосфер. Расстояние сопла от забоя 1,2м.

В ходе производственных испытании, были нанесены 3 опытных состава на борт котлована оборотного съезда ст. «Алатау» и 3 опытных состава на сводовую часть (рис. 3.11) СТП (ПК 55+29,600 ? ПК 55+26,257) ст. «Байконур». Толщина нанесенного торкретбетонного покрытия на борт котлована оборонного съезда составила – 50мм, толщина нанесенного покрытия на сводовую часть СТП составила – 190 мм.

Рис. 3.11. Торкретирование сводовой части СТП (ПК 55+29,600 ? ПК 55+26,257) ст.

«Байконур» метрополитена г.Алматы

Для испытания прочности торкретбетона в лабораторных условиях выбуривались керны в местах нанесения набрызгбетона, то есть с борта котлована оборотного съезда ст. «Алатау». Общее количество выбуренных кернов составило – 15 шт, толщиной 50мм. Также были выбурены керны со сводовой части СТП ст. Байконур. Общее количество кернов – 15шт, толщиной 190 мм. Выбуривание кернов производились с момента нанесения набрызгбетона, после 1, 3, 7 и 28 суток и испытывались в лабораторных условиях на сжатие и растяжение.

Результаты исследований приведены в табл. 3.12, 3.13, 3.14 и рис. 3.13, 3.14.

Таблица 3.12. Влияние армирующих волокон на прочность фибробетонов в первые часы твердения

Таблица 3.13. Кинетика нарастания прочности бетонов на растяжения во времени

Рис. 3.13. Кинетика нарастания прочности бетонов на растяжение во времени

1 – бетон без фибр; 2 – бетон, армированный капроновым волокном; 3 – бетон, армированный полипропиленовым фибро волокном

Результаты проведенных испытаний свидетельствуют, что торкретбетонные смеси с добавкой латекса и фиброволокна характеризуются повышенной тиксотропностью, что соответствует повышенной удобоукладываемости экспериментальных смесей по сравнению с равными им по осадке конуса контрольными смесями. В экспериментальных замесах содержание в них воды на 22% меньше, чем в обычной торкретбетонной смеси.

При повторном осмотре горной выработки по истечению 35 суток в местах нанесения экспериментального торкретбетона недостатков в виде трещин, шелушения не обнаружено.

Таким образом, анализ результатов проведенных исследований показали, что наиболее высокие технологические и технико-экономические показатели крепление горных выработок методом торкретбетона достигается за счет правильно выбранного состава бетонной смеси с учетом особенностей конкретных горно-технических и горно-геологических условий проведения подземных выработок.

В результате проведенных исследований нами проведено технико-экономическое обоснование применения обычного торкретбетона и фибробетона. С этой целью выполнены сравнительные технико-экономические анализы и расчеты обычного торкретбетона используемого на данный момент в строительстве метрополитена г.Алматы и предлагаемого нами фибробетона (табл. 3.18 и 3.19).

Таблица 3.18. Сравнительные технико-экономические анализы и расчеты обычного торкретбетона и фибробетона при креплении бортов котлована

Таблица 3.19. Сравнительные технико-экономические анализы и расчеты обычного торкретбетона и фибробетона при креплении сводовой части станции метрополитена

Анализ результатов промышленных испытаний показал, что прочность торкретбетона на сжатие и растяжение при соотношении материалов Ц:П:Щ:Л:Пф - 1 : 2: 1: 0,02 : 0,015 по сравнению с другими материалами увеличивается на 8-10% и соответственно составляет 30,6 и 9,6 МПа, а отскок материала уменьшился на 12-15 %. За счет уменьшения толщины торкретбетонного покрытия и объема отскакивающего материала, а также за счет уменьшения массы портландцемента экономия затрат составляет на 1м? – при креплении бортов котлована 510,1 тг., при креплении сводовой части станций метрополитена 3167,7 тг.

В ходе исследования установлено, что состав бетонной смеси является одним из основных факторов влияющий на технологические, эксплуатационные и экономические показатели набрызгбетонной крепи. На основе исследований и проведенных экспериментальных работ предложен новый рациональный состав бетонной смеси с добавкой водной эмульсии синтетического латекса СКС-65 ГП марки «Б» и новая технология крепления горных выработок этим составом;

В результате проведенных исследований установлено, что прочность на сжатие набрызгбетона с добавкой латекса в 1,5 раза выше, и при этом потери материала, за счет высоких адгезийных свойств латексобетонной смеси уменьшается в 1,6 раза по сравнению с обычным набрызгбетоном.

Установлено, что возведенная набрызгбетонная крепь на основе нового состава обладает повышенными качественными характеристиками, таким как эластичность, трещиностойкость и водонепроницаемость. Применения нового состава бетонной смеси и новой технологии возведения набрызбетонной крепи, за счет высоких физико-механических свойств состава позволяет уменьшить толщину крепи на 22-25%, по сравнению с обычным набрызгбетоном без ущерба качественные показателей крепления, что в свою очередь позволяет уменьшить расход материалов. Кроме того, за счет уменьшения толщины крепи поперечное сечение выработки в свету увеличивается на 9,5-11,69 %.

Благодаря углублению физико-химического взаимодействия компонентов вблизи поверхности волокон по сравнению с остальным объемом, в сравнительно короткие сроки в системе образуется фиброцементный каркас, обладающий повышенной устойчивостью и пла- стической прочностью на 10-15%.

В целях проведения сравнительного анализа потерь материалов при возведении набрызгбетонной крепи впервые введено определение коэффициента полезного использования бетонной смеси, это в свою очередь позволяет более точно оценить расход материалов. Применяя коэффициент полезного использования бетонной смеси можно расчетным путем определить уровень потерь материалов.

Предлагаемый новый состав торкретбетонной крепи в АО «Алматыметрокурылыс» представляется перспективным и будет использован в практике строительства второй очереди 1- ой линий метрополитена в г. Алматы.