Конструктивные решения металлических стропильных ферм.

Стальные стропильные фермы по очертанию поясов выполняют обычно трех типов — трапециевидные, треугольные и фермы с параллельными поясами. Выбор очерта­ния поясов определяется назначением ферм, материалом кровли, системой водоотвода, экономическими соображениями. В гор­нотехнических зданиях и сооружениях при рулонной кровле наибольшее распространение получили трапециевидные фермы и фермы с параллельными поясами.

На рис. 5.8, а представлены трапециевидные стропильные фермы 2 для пролетов зданий 18—36 м при шаге колонн 6 и 12 м. По несущей способности они рассчитаны на нагрузки от покрытия до 7,2 кН/м2, выполнены из парных уголков из стали марки СтЗ, либо пояса из низколегированной стали, а остальные элементы — из стали СтЗ. Размеры панелей верхнего пояса 3 м; при использовании железобетонных крупнопанельных плит по­крытия шириной 1,5 м для их опирания устраивается шпрен-гельная решетка 4. Сопряжение решетки с поясами ферм — на сварке через фасонки 5 из листовой стали, сопряжение с колон­нами 1 — шарнирное через надопорные стойки 3 (рис. 5.8, в).

Стропильные фермы 2 с параллельными поясами (рис. 5.8, б) для пролетов 18—36 м имеют единую высоту на опоре 3150 мм и выполнены из парных прокатных равнобоких уголков, соеди­ненных в узлах фасонками 5. Фермы запроектированы с пояса­ми из низколегированной стали и решеткой из стали СтЗ.

Новым эффективным видод, несущих конструкций для произ­водственных зданий различного назначения являются про­странственные решетчатые системы покры­тия — структуры типа «Берлин», «ЦНИИСК», «Кисловодск», МАрхИ» и др. (рис. 5.9). Эти системы в последнее время ус­пешно развиваются как у нас в стране, так и за рубежом. В номенклатуру зданий и сооружений предприятий угольной промышленности, подлежащих выполнению в легких металли­ческих конструкциях комплектной поставки, входят такие объек­ты, как блоки вспомогательных цехов, надбункерные части погрузочных бункеров, компрессорные станции, здания подъем­ных машин, вентиляторных и компрессорных установок и др. С 1979 г. в проектах на строительство зданий и сооружений Экибастузского и Канско-Ачинского топливно-энергетических комплексов предусмотрено применение аналогичных конструк­ций. Площадь таких одно- и многопролетных зданий намечено довести до 40—50 % общей площади промышленной застройки комплексов.

В легких металлических конструкциях удачно сочетаются высокая индустриальность, обусловленная повышенной заводской готовностью монтажных элементов и максимальным сокра­щением «мокрых» отделочных процессов; рациональное исполь­зование прочностных свойств стали в пространственных несу­щих конструкциях. Опыт их применения в промышленном строи­тельстве показывает, что по сравнению с традиционными ме­тодами строительства в 2—3 раза сокращаются сроки возведе­ния зданий, в 3—4 раза снижается трудоемкость монтажных работ, на 30—40 % повышается производительность труда. Об­щая масса зданий, построенных из легких конструкций, сни­жается в 2,5—3 раза, а суммарный экономический эффект от их внедрения оценивается в 35—40 руб. на 1 м2 общей площади зданий при снижении трудозатрат на 0,5 чел.-дней на 1 м2 [20]. Намечено расширить объемы легких металлических конструкций до 25—30 млн. м2 в год, а также номенклатуру их применения. Покрытия типа «Берлин», «Кисловодск», «МАрхИ» и др. представляют собой пространственную конструкцию с ортого­нальной сеткой верхнего и нижнего поясов, выполняемых из стальных электросварных или горячекатаных труб диаметром 120—150 мм. Трубчатое сечение является наиболее рациональ­ным профилем, так как имеет наилучший радиус инерции по сравнению с другими сечениями. Структуры собираются из эле­ментов в виде четырехугольных пирамид с основанием 3X3 м и высотой 2,12 м (рис. 5.9, а). Для соединения стержней служат муфты из шестигранника с резьбовыми отверстиями по направ­лению сходящихся в узле поясов и раскосов (рис. 5.9, б). По­следние имеют в торцах приваренные пластины с высокопрочны­ми болтами.

2. Схемы тампонирования и их анализ.

По месту производства работ по тампонированию различа­ют: тампонирование через скважины, пробуренные с земной по­верхности (рис9.9) и тампонирование через скважины, пробуренные из забоя выработки (рис. 9.10). Тампонирование горных пород с поверхности земли в подготовительный период строительства до начала горно-строительных работ применяют при большой мощности трещиноватых пород, залегающих на сравнительно небольшой глубине от поверхности.

Тампонирование пород из забоя проводят с участка выра­ботки, не доходя до водоносного горизонта, залегающего на сравнительно большой глубине от поверхности. В забое выра­ботки возводят тампонажную подушку (перемычку), через ко­торую бурят скважины для нагнетания раствора.

В отдельных случаях возможна комбинация вышеназванных схем. При этом первоначально с поверхности земли при помо­щи малого числа тампонажных скважин, пробуренных на пол­ную глубину, тампонируют наиболее крупные трещины и пус­тоты, дающие основной приток воды и газа. На втором этапе тампонирование производят из забоя выработки при вскрытии мелкотрещиноватых пород, которые не были затампонированы с поверхности земли.

Целесообразность применения той или иной схемы тампони­рования определяется на основании технико-экономического сравнения вариантов исходя из горно-геологических условий за­легания горных пород, их характеристики, применяемого там-понажного оборудования, организации работ и др.

При тампонировании пород с поверхности работы выполня­ют сразу на всю проектную глубину — тампонаж одной заходкой (рис. 5.15, а); отдельными нисходящими заходками опре­деленной высоты в направлении сверху вниз (рис. 5.15,б); от­дельными восходящими заходками в направлении снизу вверх (рис. 5.15,в).

Рис. 5.15. Схема последо­вательности бурения

сква­жины и нагнетания в них тампонажного

раствора.

Наиболее просто выполняются работы по тампонированию горной породы одной заходкой. Однако область применения такой схемы ограничивается небольшой мощностью и равно­мерной трещиноватостью горных пород. Давление нагнетания и расход раствора по глубине скважин, особенно при большой мощности и неравномерной трещиноватости горных пород, бу­дут различны, поэтому условия тампонажа массива пород, а следовательно, и качество работ по глубине будут неодинако­выми. Поэтому массив горных пород целесообразно разбить на отдельные заходки. Высота заходки зависит от горно-геологи­ческих условий и колеблется от 15 до 25 м. Такую схему при­меняют в случае, когда водоносные породы имеют большую мощность и залегают неглубоко от поверхности земли, породы в пределах каждой заходки должны иметь равномерную трещи-новатость.

При тампонаже горных пород нисходящими заходками ра­боты выполняют в следующей последовательности. Вначале скважины бурят на глубину первой заходки. После промывки в скважины нагнетают тампонажный раствор. После набора тампонажным материалом требуемой прочности скважины раз­буривают до глубины второй заходки и работы по тампонажу повторяют. После этого опять скважину разбуривают и углуб­ляют на глубину третьей заходки и так далее до тех пор, пока не будет затампонирован массив пород на всю глубину. Достоинствами этой схемы являются простота операций по герметизации устьев скважин, высокое качество тампонажа вследствие многократного тампонажа верхних зон, возможность нагнетания тампонажного раствора под повышенным давлени­ем, так как над каждой последующей тампонируемой зоной за­легает зона затампонированных пород, минимальное зашламо-вание трещин в горных породах в процессе их бурения.

К недостаткам этой схемы следует отнести: необходимость многократного перемещения бурового станка, а также значи­тельные объемы работ по разбуриванию тампонажного камня в пределах вышележащих тампонажных заходок.

При тампонировании горных пород восходящими заходками скважины бурят сразу же на полную глубину трещиноватых пород, а нагнетание раствора осуществляют отдельными заход­ками снизу вверх. Для разделения заходок применяют специ­альные уплотнительные устройства (пакеры). В этом случае тампонаж горных пород целесообразно применять при наличии по глубине пород разобщенных водоносных горизонтов и при отсутствии в тампонируемой зоне вертикальных трещин и ка­налов, по которым тампонажный раствор может пройти в сква­жину выше уплотнительного устройства, что может привести к потере тампонажной скважины. Достоинствами этой схемы яв­ляются резкое снижение объема буровых работ, более простая их организация. К недостаткам этой схемы следует отнести сложность работ по установке и демонтажу уплотнительных устройств.

В отдельных случаях может быть применена схема, при ко­торой нагнетание тампонажного раствора осуществляют в пол­ностью изолированный водоносный участок. Для этого уплотнительные устройства устанавливают как в кровле, так и в поч­ве участка.

Основным элементом уплотнительных устройств является резиновый или кожаный элемент, с помощью которого герме­тизируют пространство между стенками скважины и трубы для подачи тампонажного раствора. Уплотнительный элемент кре­пят к концу трубы и устанавливают в скважине выше участка, подлежащего тампонированию. Герметизация скважины дости­гается деформацией уплотнительного элемента, осуществляемой различными способами: механическим, гидравлическим, гид-равлико-механическим.

При тампонировании пород на большие глубины нашли при­ менение механический пакер ДАУ-1, двойной механический пакер ДАУ-1-2, гидромеханическая пробка ДАУ-2. Наиболее широкое распространение получил пакер ДАУ-1, сконструированный в объединении «Спецтампонажгеология». Общая длина пакера ДАУ-1 — 1940мм, наружный диаметр его — 89—120 мм;длина набора резиновых манжет — 500мм; масса — 57кг. Пакер рассчитан на рабочее давление 30 МПа для работы в скважинах с номинальным диаметром 92 мм. Для скважин диаметром 112, 92, 76, 59 мм разработан нормальный ряд пакеров ДАУ-1.

ВНИИОМШСом разработан тампон-пакер ТРП-93 (тампон распорный проходной для скважин диаметром 93 мм), который рассчитан на максимальные давления 15 МПа.

По способу нагнетания раствора в скважины различают за­жимную(рис.9.12) циркуляционную и полуциркуляционную схемы там­понирования горных пород (рис. 9.13).

При зажимной схеме тампонажный раствор подается при постоянном расходе, соответствующем подаче принятого насо­са. Давление нагнетания при этом по мере заполнения трещин тампонажным раствором возрастает.

Зажимную схему нагнетания тампонажного раствора при­меняют при тампонировании горных пород средней крепости и крепких со средней, малой и тонкой трещиноватостью, не склонных к деформации, при повышенных давлениях тампонаж­ного раствора, а также при больших гидростатических давлени­ях подземных вод. При зажимной схеме нагнетаемый раствор должен обладать высокой стабильностью с выходом тампонаж­ного камня не менее 96%.

К достоинствам схемы следует отнести простоту оборудова­ния тампонажных скважин; возможность использования для тампонирования скважин минимального диаметра, что увеличи­вает скорость их бурения, а следовательно, обеспечивает сни­жение стоимости тампонажных работ. К недостаткам зажим­ной схемы следует отнести: невозможность регулирования дав­ления нагнетания; при малых расходах скорость движения там­понажного раствора в скважине назначительна, что может по­влечь расслоение раствора и закупорку трещин и самой сква­жины в нижней ее части.

При циркуляционной схеме (см. рис. 9.13,а) до забоя тампонажной скважины опускают нагнетательную трубу/. Тампо­нажный раствор подается по трубе в количестве, большем, чем могут поглотить породы при заданном давлении нагнетания. Избыток раствора по межтрубному пространству поднимается вверх и возвращается в расходную емкость или растворосмеситель. Давление нагнетания регулируют с помощью крана 2. Таким образом, при циркуляционной схеме тампонирование горных пород осуществляют при постоянном расходе и перемен­ном давлении нагнетания раствора.

Циркуляционную схему нагнетания растворов целесообраз­но применять при тампонаже крупных трещин, когда для огра­ничения радиусов распространения растворов нужны неболь­шие давления нагнетания, а для улучшения качества (повыше­ния плотности) заполнения трещин тампонажным материалом в скважине необходимо выдерживать расчетное давление в те­чение времени, достаточного для полного отжима воды из там­понажного раствора и его уплотнения.

Основные достоинства схемы заключаются в следующем: обеспечивается лучшее управление процессом нагнетания и ре­гулированием концентрации раствора; исключается осаждение частиц твердой фазы из раствора в скважине и, следователь­но, закупорка трещин в нижней части скважины осевшими твердыми частицами. К недостаткам циркуляционной схемы следует отнести сложность оборудования скважин и обеспечение непрерывной эффективной циркуляции в течение всего вре­мени нагнетания тампонажного раствора. Даже кратковремен­ные, исчисляемые несколькими минутами, потери циркуляции раствора могут привести к прихвату нагнетательной трубы. Особенно опасна потеря циркуляции раствора при большой вы­соте тампонажной заходки, когда в нижней части тампонажной скважины действуют большие гидростатические давления, спо­собствующие быстрому отфильтровыванию из цементных рас­творов жидкой фазы и его уплотнению.

При полуциркуляционной схеме (см. рис. 9.13, б) циркуля­ция тампонажного раствора осуществляется только в наземных трубопроводах (между насосом и цементационной головкой). В скважине раствор перемещается так же, как при зажимной схеме, в направлении сверху вниз. Для регулирования расхода и давления нагнетания так же, как и при циркуляционной схе­ме, используют кран 2. Полуциркуляционная схема нагнетания тампонажного раствора может применяться для тампонажа как мелкотрещиноватых, так и крупнотрещиноватых пород. К до­стоинствам схемы относятся: сравнительная простота оборудо­вания скважин; возможность регулирования режима нагнета­ния тампонажного раствора в скважину. К недостаткам схемы относится возможность закупорки нижней части тампонажной скважины от выпадения осадка из тампонажного раствора.

По очередности бурения и нагнетания тампонажного раство­ра различают схемы: групповую и поочередную.

При групповой схеме бурение скважин и тампонирование горных пород производят следующим образом:

бурят все тампонажные скважины, после промывки и опре­деления притока воды из них тампонируют скважину с макси­мальным притоком. Очередность тампонирования остальных скважин принимают согласно размерам притоков воды из них в нисходящем порядке;

бурят первую половину скважин и после промывки в них нагнетают тампонажный раствор. По окончании тампонажа этих скважин бурят остальные скважины и тампонируют их.

Рис.5.17 очередность тампонирования скважин

При поочередной схеме большое распространение получил так называемый метод сближения скважин (рис. 5.17,а), при котором первоначально бурят и тампонируют две диаметраль­но противоположные скважины I. Затем бурят следующую па­ру скважин II, расположенных на диаметре, перпендикулярном к первому. После нагнетания тампонажного раствора в эти скважины бурят третью пару скважин III, расположенных на диаметре, который находится под углом 45° к первым двум, и так далее, пока не будет достигнута требуемая плотность там­понажной завесы. Указанный порядок бурения и тампонирова­ния скважин уменьшает до минимума вероятность проникнове­ния тампонажного раствора в соседние скважины вследствие значительных расстояний между ними. Через первые две сква­жины тампонируют большинство крупных трещин, при тампо­нировании последующих скважин перекрываются более мел­кие трещины.

Широкое применение получил также метод «треугольников». В этом случае (рис. 5.17,6) вначале бурят и тампонируют три скважины, расположенные на вершинах равнобедренного тре­угольника, вписанного в окружность расположения устьев скважин (скважины первой очереди) I. Затем бурят и цементи­руют три скважины второй очереди, располагаемые между скважинами первой очереди II и т. д. При наклонном залега­нии пластов горных пород раствор нагнетают в первую очередь в скважины, расположенные по падению горных пород.

3. МЕТОДЫ ИНЖЕНЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Основанием для начала составления проекта служит утвержденное задание на проектирование. В соответствии с ним, а также собственным планом проектно-изыскательских работ проектная организация заключает договор с заказчиком на выполнение проекта строительства подземного соору­жения.

Все исходные данные заказчик должен передать проектной организа­ции в согласованные сроки. Детально объем и перечень исходных данных для проектирования определен инструкцией СН 202—76.

Данные инженерных изысканий играют большую роль при стро­ительстве подземных сооружений, особенно данные о геологических ус­ловиях и физико-механических свойствах горных пород, которые пред­определяют в основном конструктивные параметры подземного соору­жения, а также методы его строительства.

При строительстве подземного сооружения обычно не столько опасны неблагоприятные геологические условия, сколько недостаток информа­ции о них и неумение оценить их с точки зрения того или иного инже­нерного мероприятия.

Для строительства подземных сооружений выполняют следующие ос­новные виды инженерных изысканий.

Инженерно-геодезические изыскания, в состав кото­рых входят построение геодезической и нивелирной сети, создание пла­ново-высотной съемочной геодезической сети, топографическая съем­ка, съемка подземных инженерных коммуникаций, картографические ра­боты и др.

В состав инженерно-геодезических изысканий входит также геоде­зическое трассирование линейных сооружений, необходимое для стро­ительства железных, автомобильных дорог, водоводов, каналов, различ­ных трубопроводов, линий электропередачи и связи, прочих протяженных

коммуникаций.

Инженерно-геологические изыскания проводят для изучения инженерно-геологических условий района строительства, включая геоморфологическое и геологическое строение, литологический состав, состояние и физико-механические свойства грунтов и горных пород, гидрогеологические условия, неблагоприятные физико-геологи­ческие процессы и явления, а также прогноз изменения инженерно-гео­логических и гидрогеологических условий при строительстве и эксплуа­тации сооружения.

Инженерно-гидрометеорологические изыскания слу­жат для получения материалов и данных по речной и морской гидрологии и климатологии, необходимых для проектирования объектов, а также для оценки возможных изменений гидрометеорологических условий терри­тории и акватории под воздействием строительства и эксплуатации со­оружения.

Кроме перечисленных, для строительства подземных сооружений про­водят изыскания источников водоснабжения на базе подземных и поверхностных вод.

Поиск информации. Кроме исходных материалов, директивных и нор­мативных документов, при разработке проектов необходимо использо­вать научную информацию. Под информацией в широком смысле понимают некоторые сведения, совокупность каких-либо данных, знаний и других материалов, являющихся объектом хранения, преобразования, передачи. Общим свойством информации является то, что она отобра­жает реальные объекты и процессы.

К научной относят ту логическую информацию, которую получают в процессе познания и которая правильно отображает явления и законы природы, общества и мышления. Научной может быть лишь информация, основанная и проверенная на практике. Причем научная информация яв­ляется не только продуктом научно-исследовательской деятельности уче­ных, но также производственной и хозяйственной деятельности инжене­ров и рабочих. Ее могут содержать изобретения, рационализаторские предложения, усовершенствования.

Следует отличать от научной информации научные знания, представ­ляющие собой особую, высшую категорию научной информации. Не от­носят к научной информации устаревшие истины, материалы научной фантастики или другую информацию, которая не может быть использо­вана на практике.

В начале работы над любой новинкой проектировщик обязан доско­нально знать относящиеся к этой области стандарты и технические условия. Эту информацию он получает из фонда нормативно-техни­ческой документации, который насчитывает в настоящее время свыше 300 тыс. документов. Чтобы не закладывать в проекты морально уста­ревшую технику, надо представлять, какие виды оборудования и изделий и на каких заводах выпускают в настоящее время. Этой цели служит центральный фонд каталогов на оборудование в Государственной пуб­личной научно-технической библиотеке России, насчитывающий не­сколько миллионов единиц.

Главным направлением технического прогресса в информационном обслуживании является широкое использование ПЭВМ, новейших ка­налов связи, средств воспроизведения и копирования.

Основными информационными органами, снабжающими проектиров­щиков информацией в проектных институтах, служат библиотека, каби­нет типовых проектов, технический архив, сектор или группа информа­ции, патентное бюро.

Для систематизации, хранения и поиска информации используют сис­тему универсальной десятичной классификации (УДК), индексы и оп­ределители которой раскрывают основное содержание документов, хра­нящихся в фонде, или систему предметных указателей, где содержание документов передается при помощи рубрик и подрубрик.

Однако УДК и предметные указатели не всегда позволяют проекти­ровщикам в полной мере использовать информацию, имеющуюся в ин­ституте, хотя они затрачивают на ее поиск до трети рабочего времени. Наиболее совершенным является применение в практике работы про­ектных институтов автоматизированных информационных систем, кото­рые осуществляют сбор, накопление, хранение, переработку, поиск и выдачу информации.

Анализ исходных данных — это познание объективных условий пред­стоящего строительства подземного сооружения и поиск лучших путей использования этих условий для наиболее успешного решения проектной задачи.

Главное в анализе исходных данных — необходимость узнать значи­тельно больше о входе и выходе задачи, чем задано. Прежде чем решать задачу, необходимо располагать надежной информацией об ожидаемых вариациях входа и выхода.

Объектами анализа данных являются исходные материалы, директив­ные и нормативные документы, научная информация, рассмотренные выше. Влияние исходных материалов на решение проектной задачи про­является различным образом. В одном случае наибольшее влияние будут оказывать данные инженерных изысканий, в другом — требования за­казчика, в третьем — возможности строительных организаций, в четвер­том — климатические условия и т.д. Для подземного строительства наи­более важными являются данные инженерных изысканий. От их харак­тера во многом зависят проектные решения. Поэтому анализ исходных данных следует начинать с оценки гидрогеологических условий стро­ительства, т.е. с изучения той среды, в которой будет строиться и функ­ционировать проектируемое подземное сооружение.

Анализ требований заказчика сводится к оценке тех ограничений, ко­торые закладывают в задание на проектирование. В процессе анализа необходимо выявить ограничения, которые не могут быть приняты, на­пример, из-за слишком высоких затрат или длительных сроков стро­ительства. Некоторые ограничения по договоренности с теми, кто их вы­двинул, могут быть исключены. Например, требования, накладываемые несовершенными видами строительных материалов, устаревшей техно­логией и др.

Оценка строительных организаций состоит в установлении их реаль­ных возможностей при строительстве проектируемого объекта. При этом учитывают количественный и качественный состав строительных орга­низаций, их техническое оснащение, квалификацию кадров, территори­альное расположение и т.д.

ОПТИМИЗАЦИЯ И ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Поиск решений. После того как задача проектирования определена, т.е. уяснена цель и сделаны выводы из оценки исходных материалов, необходи­мо сформировать идею решения инженерной задачи в виде принципиаль­ной схемы или эскиза всего подземного сооружения, отдельных горных выработок, узлов, устройств, процессов, элементов, причем таких идей может и должно быть множество, в противном случае, как известно, инже­нерная задача не возникает.

Формирование идеи проектного решения относят к области творче­ства, являющегося неотделимой частью проектирования.

Поиск возможных решений зависит от числа, ценности и разнообра­зия идей проектировщика.

В процессе поиска решений следует стремиться мыслить широко, не увязая в трясине подробностей. Необходимо избегать поспешных решений, отыскивать новые идеи, радикально отличающиеся от всех предыдущих, всегда считать, что имеется лучшее решение, чем то, которое известно.

Творчество — это деятельность, которая дает новые, впервые со­здаваемые, оригинальные продукты, имеющие общественное значение: изобретение новых машин и устройств, открытие новых закономерностей в науке, создание произведений искусства, литературы и т.п. В основе творчества человека лежит создание нового в форме представлений (об­разов). Такое представление в сознании предметов, непосредственно не воспринимаемых органами чувств в данный момент, возможно потому, что в мозгу остаются следы прошлых воспоминаний, т.е. действует ме­ханизм памяти.

Память закрепляет в сознании обычно все повторяющееся, важное, отсеивая несущественное, сохраняет лишь некоторую совокупность по­вторяющихся элементов группы сходных объектов или наиболее харак­терные черты одного конкретного объекта. Поскольку человек обобщает, суммирует прошлые восприятия в едином образе, прежний опыт служит путеводителем в новых ситуациях, при новых обстоятельствах.

Человек может представить себе и такие предметы, которые он не ви­дел раньше. Перед тем как выполнить чертеж объекта, процесса или эле­мента, проектировщик заранее представляет себе их образ и может в ши­роких пределах менять характер этого образа. Ничто не мешает ему пред­ставить обделку подземного сооружения в виде резиновой оболочки или массив породы, сложенный невесомыми частицами, и т.п. Во всех этих случаях способность к представлению перерастает в воображение. Но как бы ни были фантастичны возникающие в сознании образы, они всегда складываются из элементов прошлого опыта. Расчленяя и сочетая раз­нообразные природные элементы, их свойства и качества, сопоставляя объекты друг с другом, человек получает самые различные их комбинации.