Определение расчетных нагрузок на конструкции подземных сооружений

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

Кафедра «Строительство подземных сооружений и шахт»
 
 
В.А. Пшеничный 
И.И. Шорников 

Определение расчетных 
нагрузок на конструкции  
подземных сооружений 

Методические указания 

 

Москва  2014 

УДК 622. 013.0; 69.035.4 (075.8) 
 
П93 

 

Пшеничный В.А. 
П93  
Определение расчётных нагрузок на конструкции подземных сооружений : метод. указ. / В.А. Пшеничный, И.И. Шорников. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2014. – 76 с. 

Представлены практические задачи по механике подземных сооружений, 
возникающие при строительстве вертикальных стволов, горизонтальных и 
наклонных горных выработок, гидротехнических и транспортных тоннелей и 
основных подземных сооружений метрополитена. Приведены методические 
указания и контрольные задания по определению расчётных нагрузок на подземные сооружения различного назначения. Методические указания снабжены необходимым справочным материалом. 
Для студентов дневной и заочной формы обучения по дисциплине «Механика подземных сооружений», специальность 130406 «Шахтное и подземное строительство». 
УДК 622. 013.0; 69.035.4 (075.8) 

© В.А. Пшеничный,  
И.И. Шорников, 2014 

СОДЕРЖАНИЕ 

Предисловие..............................................................................................4 
1. Основы проектирования конструкций подземных сооружений......6 
2. Определение нагрузок на конструкции подземных сооружений.....9 
2.1. Взаимодействие крепи с породным массивом  
и формирование нагрузки на крепь ....................................................9 
2.2. Определение устойчивости и нагрузок на крепь  
вертикальных горных выработок......................................................13 
2.3. Определение устойчивости и нагрузок на крепь 
горизонтальных и наклонных горных выработок и камер .............22 
2.4. Расчётные нагрузки на обделки подземных сооружений 
метрополитена, железнодорожных и автодорожных тоннелей .....31 
2.5. Расчётные нагрузки на обделки гидротехнических  
тоннелей...............................................................................................38 
2.6. Нагрузки от давления щитовых домкратов  
при строительстве тоннелей способом продавливания ..................41 
2.7. Временные нагрузки на конструкции подземных  
сооружений..........................................................................................43 
2.8. Расчёт подземных сооружений на всплытие ............................46 
3. Конструкции крепей и обделок подземных сооружений ...............49
Библиографический список...................................................................62 
Контрольные задания.............................................................................63 
Приложения.............................................................................................68 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Федеральный государственный образовательный стандарт (ФГОС) 
предполагает разделение процесса обучения на аудиторные занятия и 
самостоятельную работу студентов, основное назначение которых – 
получение знаний, умений и навыков, определенных ГОС и основными 
образовательными программами.  
Характерной особенностью современного подземного строительства является значительное усложнение геомеханических условий. В современной энергетике важное место занимает строительство подземных гидротехнических комплексов. Расширяется строительство транспортных сооружений. В современном градостроительстве стоит проблема комплексного освоения подземного пространства крупных городов, строительства подземных инженерных комплексов различного 
назначения. 
Успешное решение задач, связанных с обеспечением высокой эксплуатационной надежности конструкций подземных сооружений, во 
многом зависит от совершенствования методов прогнозирования механических процессов и явлений в породных и грунтовых массивах, а также методов расчёта инженерных конструкций подземных сооружений. 
Все эти вопросы являются предметом изучения дисциплины «Механика подземных сооружений и конструкции крепей», занимающей 
важное место в общем плане подготовки горных инженеровстроителей. Эта дисциплина является научной основой проектирования 
инженерных конструкций горных выработок и подземных сооружений, 
обеспечивающих надежность и долговечность их эксплуатации. В результате ее изучения студент должен научиться самостоятельно решать 
одну из важнейших инженерных задач горного дела – обоснованно выбирать наиболее целесообразную для конкретных условий конструкцию подземного сооружения, определять действующую на нее нагрузку и производить расчёт по определению ее основных параметров. 
Необходимость в написании настоящих методических указаний 
возникла в связи с кардинальной реформой технического регулирования в области проектирования и строительства, проводимой в России в 
настоящее время. В результате реформы изменилась и нормативная 
база в области подземного строительства, особенно в части проектирования и определения расчётных нагрузок на конструкции подземных сооружений. 

Целью настоящих методических указаний является развитие у студентов функциональной грамотности решения инженерных задач в области 
механики подземных сооружений. В них изложены основные принципы 
по определению расчётных нагрузок на подземные сооружения различного назначения и выбору конструкций крепей и обделок для различных 
геомеханических условий и технологий строительства в соответствии 
с действующими законодательными и нормативными документами. 
Методические указания и контрольные задания предназначены для 
проведения практических занятий по дисциплине «Механика подземных сооружений», а также для самостоятельной работы студентов. 
Представленные контрольные задания разновелики по объему и трудности решения. Все они содержат методические указания и расчётные 
формулы для их решения, снабжены необходимыми справочными данными. Особое внимание уделено вопросам, связанным с определением 
нормативных и расчётных нагрузок на крепи и обделки подземных сооружений. 
Для успешного освоения материала в рамках самостоятельной работы студент должен хорошо знать ранее изучаемые дисциплины, особенно профилирующие, читаемые на кафедре СПСиШ. 
По дисциплине «Механика подземных сооружений» учебным планом предусмотрены следующие виды отчетности: выполнение письменной и контрольной работ и сдача экзамена и курсовой работы. 
Письменная и контрольная работы выполняются в соответствии с настоящими методическими указаниями и программой. 
Целью письменной работы является развитие у студентов навыка 
поиска необходимой учебной информации в местах ее хранения и умения конспектировать литературные источники. В письменной работе 
студент отвечает на один из вопросов, помещенных в конце каждого 
раздела. Вариант задания выбирается по последней цифре номера зачетной книжки студента. 
Целью контрольной работы является развитие у студентов функциональной грамотности, т.е. умения на основе полученных знаний решать 
различные практические инженерные задачи механики подземных сооружений. Для выполнения контрольной работы студент должен решить 
ряд задач, приведенных в каждом разделе. Количество задач определяется преподавателем в зависимости от активности студента во время аудиторных занятий, но должно быть не менее пяти и охватывать все разделы 
дисциплины. Вариант задания в каждой из задач выбирается по последней цифре номера зачетной книжки студента. 

1. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
КОНСТРУКЦИЙ ПОДЗЕМНЫХ 
СООРУЖЕНИЙ 

Требования, предъявляемые при проектировании конструкций подземных сооружений. Классификация конструкций подземных сооружений, нормативные 
положения по их выбору. Критерии экономического сравнения вариантов конструкций подземных сооружений. 

Методические указания 

В процессе проектирования конструкций подземных сооружений 
должны удовлетворяться функциональные, технические и экономические требования. 
Функциональные требования удовлетворяются в результате объемно-планировочных решений и заключаются в обеспечении соответствия основных параметров выработки (формы, площади поперечного сечения) ее технологическому назначению. 
Технические требования заключаются в обеспечении прочности, 
устойчивости, ограниченности деформаций и долговечности. Применительно к конструкциям подземных сооружений эти требования 
расшифровываются следующим образом: 
– конструкции подземных сооружений должны быть прочными, 
т.е. удовлетворять условиям нормальной эксплуатации без появления 
разрушений в конструкциях (хрупкое разрушение бетона и чугуна, 
пластическое течение стали); 
– конструкции подземных сооружений должны быть устойчивыми, т.е. сохранять неизменность геометрической формы, заданной по 
условиям нормальной эксплуатации выработки; 
– конструкции подземных сооружений не должны деформироваться более допустимых пределов; 
– конструкции подземных сооружений должны быть долговечными, т.е. сохранять свою прочность в течение намеченного срока 
службы при заданном режиме эксплуатации; 
– конструкции подземных сооружений должны быть нетрудоемки 
в изготовлении и установке. 
Цель экономических требований – обеспечить наиболее высокие 
эксплуатационные показатели выработок при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах в течение всего срока службы. 

Конструкции подземных сооружений классифицируют по следующим основным признакам: 
– по функциональному назначению – крепи горных выработок 
(горизонтальных, наклонных, стволов, камер); обделки транспортных тоннелей, обделки подземных гидротехнических сооружений, 
обделки подземных сооружений специального назначения; 
– по сроку службы – временная крепь, постоянная крепь или обделка; 
– по материалу – деревянные, металлические, каменные, бетонные, железобетонные, пластмассовые, смешанные; 
– по конструктивному решению – прямоугольные, трапециевидные, полигональные, сводчатые, подковообразные, эллиптические, 
кольцевые; 
– по конструктивно-технологическому решению – сборные, монолитные, сборно-монолитные; 
– по деформационной характеристике – постоянного, линейно нарастающего и нелинейно нарастающего сопротивления; 
– по жесткости конструкции – жесткие, малоподатливые с податливостью до 100 мм, податливые – до 300 мм, весьма податливые – 
более 300 мм; 
– по несущей способности – ограждающие, маломощные с несущей 
способностью до 0,1 МПа, средние – от 0,1 до 0,3 МПа, мощные –  
от 0,31 до 1,0 МПа, весьма мощные – более 1,0 МПа; 
– по характеру проявления несущей способности – подпорные, 
упрочняющие и комбинированные конструкции; 
– по способу возведения конструкции – немеханизированный, механизированный, специальный способ. 
По расчётным схемам крепи выработок можно классифицировать 
следующим образом (в зависимости от их конструктивного решения): незакрепленные выработки; оградительная крепь (например, 
анкерная, набрызг-бетонная и т.д.); трапециевидная рамная безраспорная; арочная трехшарнирная безраспорная; полигональная рамная 
распорная; арочная пятишарнирная распорная; кольцевая многошарнирная распорная; кольцевая сплошная монолитная; кольцевая 
сплошная из элементов, жестко соединенных или обладающих частичной податливостью; сводчатая сплошная монолитная; арочная 
двухшарнирная податливая из специального профиля; арочная двухшарнирная панельная из элементов, жестко соединенных или обладающих частичной податливостью. В расчётных схемах распорных 
конструкций необходимо показывать дополнительные связи с по

родным массивом в виде стерженьков в узлах или в виде связей по 
всему периметру конструкции. 
Аналогичным образом классифицируются расчётные схемы обделок подземных сооружений. Расчётные схемы монолитных сводчатых обделок представлены пологим упругим сводом с упругозащемленными в породные стенки пятами; подъемистым упругим сводом с 
упругозащемленными в почву выработки пятами; пологим упругим 
сводом с пятами, упругозащемленными в абсолютно жесткие стены; 
подъемистым упругим сводом с пятами, упругозащемленными в обратный свод, лежащий на упругом основании. Перечисленные конструкции применяются главным образом при закрытом способе сооружения тоннелей. При открытом способе применяются замкнутые 
конструкции в виде одно- и двухпролетных рам на упругом основании с верхним элементом сводчатой или плоской формы, а также 
сборные рамные конструкции. 
Сборные обделки тоннелей, сооружаемых закрытым способом, 
выполняются замкнутого кругового очертания из чугунных тюбингов или железобетонных блоков. 

Вопросы для самопроверки и письменной работы 

1.1. Какие требования предъявляются при проектировании конструкций подземных сооружений? 
1.2. Как подразделяются конструкции подземных сооружений по 
функциональному назначению? 
1.3. Перечислите основные виды конструкций подземных сооружений по материалу, конструктивному и конструктивно-технологическому решению. 
1.4. Какие виды конструкций подземных сооружений различают 
по деформационной характеристике и по несущей способности? 
1.5. Дайте классификацию безраспорных крепей горных выработок по расчётным схемам. 
1.6. Дайте классификацию распорных крепей горных выработок. 
1.7. Приведите классификацию обделок транспортных тоннелей 
по расчётным схемам. 
1.8. Дайте классификацию обделок гидротехнических тоннелей по 
расчётным схемам. 
1.9. Приведите классификацию обделок сооружений метрополитена по расчётным схемам. 
1.10. Дайте классификацию обделок подземных сооружений специального назначения. 

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК 
НА КОНСТРУКЦИИ ПОДЗЕМНЫХ 
СООРУЖЕНИЙ 

Понятия «горное давление» и «нагрузка на конструкции подземных сооружений». Формирование нагрузки в условиях сводообразования и при совместном 
деформировании в системе крепь–массив. Нагрузки от веса локальных вывалов 
и веса всей вышележащей толщи грунтового массива. Факторы, влияющие на 
процесс формирования нагрузки. Нагрузки нормативные и расчётные. Нормативные рекомендации по определению нагрузок на крепи и обделки. 

Методические указания 

2.1. Взаимодействие крепи с породным массивом 
и формирование нагрузки на крепь 

Возможные реализации механических процессов и конструктивные параметры крепи определяют режимы ее взаимодействия с породным массивом. Можно выделить три характерных режима взаимодействия: 1) режим заданной нагрузки, когда ее величина не зависит от деформационных характеристик крепи (обделки); 2) режим 
совместного деформирования крепи (обделки) и вмещающего породного массива, когда величина нагрузки зависит от деформационных характеристик крепи (обделки); 3) реже – режим заданных деформаций, когда их величина не зависит от деформационных характеристик крепи или обделки. 
Первый из этих режимов в основном реализуется при вывалообразовании, второй и третий – при деформировании пород без разрывов сплошности. 
При анализе взаимодействия массива пород с крепью горных выработок используют различные механические модели, т.е. расчётные 
схемы взаимодействия, позволяющие определять количественные 
параметры взаимодействия массива и крепи. 
В настоящее время выделяют шесть основных механических моделей взаимодействия системы крепь–массив: упругая, жесткопластическая, упругопластическая, упругопластическая неоднородная, 
вязкоупругая, вязкопластическая. 
Следует иметь в виду, что механическая модель взаимодействия 
пород и крепи не тождественна геомеханической модели массива. 

При изучении данного раздела особое внимание следует уделить 
упругой и упругопластической моделям, так как именно эти модели 
составляют основу нормативных рекомендаций по определению нагрузок на конструкции подземных сооружений. 
Крепи и обделки в большинстве случаев относятся к несущим 
конструкциям и поэтому при их проектировании следует руковод- 
ствоваться статьями Федерального закона РФ от 30 декабря 2009 г. 
№ 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений». Конструкции должны удовлетворять требованиям механической и пожарной безопасности, безопасности при опасных природных процессах и техногенных воздействиях, безопасных для здоровья человека условий пребывания, а также требованиям энергетической эффективности. Кроме того, подземные сооружения должны 
быть спроектированы таким образом, чтобы во время их строительства и эксплуатации не возникало угрозы оказания негативного воздействия на окружающую среду. 
В расчётах крепей и обделок должны быть учтены все виды нагрузок, соответствующих функциональному назначению и конструктивному решению подземного сооружения, климатические, а в необходимых случаях технологические воздействия, а также усилия, вызываемые деформацией строительных конструкций. Для элементов 
обделок, характеристики которых, учтенные в расчётах прочности и 
устойчивости сооружения, могут изменяться в процессе эксплуатации под воздействием агрессивных факторов наружной и внутренней 
среды, в том числе под воздействием технологических процессов, в 
проектной документации должны быть дополнительно указаны параметры, характеризующие сопротивление таким воздействиям, или 
мероприятия по защите от них. 
Определение расчётных нагрузок на конструкции крепей и обделок подземных сооружений следует выполнять с учетом действующих нормативных документов по строительству. 
В общем случае нагрузки и воздействия на инженерные конструкции подземных сооружений следует определять в зависимости 
от глубины заложения и размеров выработки, климатических, инженерно-геологических, гидрогеологических и сейсмических условий строительства, конструкции крепи, способов производства горнопроходческих работ, наличия и расположения соседних выработок, назначения и срока службы подземного сооружения и других 
факторов. 

Конструкцию крепи (обделки) необходимо рассчитывать с учетом 
возможных неблагоприятных сочетаний нагрузок и воздействий, которые могут действовать в период строительства или эксплуатации 
подземного сооружения. При этом следует рассматривать установившуюся, переходную и аварийную расчётные ситуации. 
При установившейся ситуации суммарная расчётная нагрузка 
состоит из постоянных нагрузок и воздействий (вертикальное и горизонтальное горное давление, внешнее гидростатическое давление, собственный вес обделки, воздействия предварительного напряжения), длительно действующих нагрузок и воздействий (от колебаний температуры, усадки и ползучести бетона, морозного пучения грунта, внутреннего давления воды в напорных гидротехнических тоннелях и др.), кратковременных нагрузок и воздействий 
(от наземного и внутритоннельного транспорта, давления пульсации потока воды и т.д.).  
При переходной расчётной ситуации суммарная нагрузка состоит 
из воздействий, возникающих во время строительства подземного 
сооружения (давление от щитовых домкратов, нагнетания раствора 
за обделку, веса проходческого оборудования и материалов и др.). 
При строительстве протяженных тоннелей способом микротоннелирования нагрузка от домкратов при продавливании может являться 
максимальной и определять размеры и прочность материала обделки. 
При аварийной расчётной ситуации сочетания нагрузок состоят из 
постоянных нагрузок и воздействий, наиболее вероятных временных 
и одной из особых (сейсмической, взрывной, аварийной и т.д.). 
В различных нормативных документах отнесение какой-либо нагрузки к категории постоянных, временных длительных, кратковременных или особых трактуется по-разному. Поэтому необходимо 
при выполнении курсового проекта конкретизировать действующие 
нагрузки в соответствии с требуемыми нормативными документами. 
Перед определением нормативных и расчётных нагрузок на конструкцию подземного сооружения, прежде всего, требуется проанализировать исходные данные для проектирования и установить, какие именно нагрузки и воздействия будут действовать на данную 
крепь или обделку в конкретных условиях проектирования. 
Для подземных сооружений, строящихся закрытым способом, в 
большинстве случаев основной нагрузкой будет нагрузка от горного 
давления. Поэтому первоначально необходимо определить характер 
проявления горного давления – от чего именно будет возникать на