Инженерно-геологические изыскания

Инженерно-геологические условия имеют решающее значение для выбора трассы туннеля и места расположения того или иного подземного сооружения, определения его конструкции и способа возведения.

Задачей инженерной геологии применительно к подземным сооружениям является установление наиболее вероятного прогноза неблагоприятных процессов и явлений, могущих возникнуть в конкретных геологических условиях в связи с нарушением целостности массива пород выработкой, и разработка соответствующих рекомендаций по предупреждению их появлений.

Объем инженерно-геологических изысканий, их состав и содержание определяются стадией проектирования и сложностью сооружения. На стадии технико-экономического обоснования (ТЭО) производится инженерно-геологическая съемка местности. Основой для нее служит топографический план масштаба 1:5000 или 1:2000, а в некоторых случаях и 1:500.

Инженерно-геологические карты, составляемые на основе материалов съемки, должны отражать мощность, падение и простирание свит, пачек и слоев горных пород, степень их обводненности, генезис и характер выветривания, расчетные показатели геотехнических свойств, формы тектонических нарушений, глубину залегания водоносных горизонтов, дебит и химический состав подземных вод.

Основными видами геологических изысканий на стадиях проекта и рабочей документации служит разведочное бурение в сочетании с геофизическими методами разведки. По результатам этих изысканий корректируется окончательное положение подземного сооружения в плане и по высоте.

Состав и объем инженерно-геологических изысканий для подземных гидротехнических сооружений определены Руководством по инженерно-геологическим изысканиям для строительства подземных гидротехнических сооружений - П-771-82 института Гид- ропроект и СНиП 1.02.07-87 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения.

Разведочные скважины должны быть пробурены на 6 м ниже отметки основания подземного сооружения. Разведочные скважины подразделяются на геологические и гидрогеологические.

Геологические разведочные скважины необходимы для определения геологического строения, геотехнических свойств и литологического состава горных пород. Гидрологические разведочные скважины предназначены для выявления дебита, уровня и состава подземных вод, коэффициентов фильтрации пород и определения значения возможного гидростатического давления на обделку подземного сооружения.

Геофизические методы исследований основаны на изучении строения земной коры косвенным путем. Этими методами исследуются реакции разнообразных физических полей на особенности залегания горных пород, обладающих различными свойствами.

По характеру используемых физических полей геофизические методы исследований подразделяются на электрометрию, сейсмометрию, ядерные методы, термометрию, магнитометрию и гравиметрию. Из всех геофизических методов наибольшее распространение получили электрометрия и сейсмометрия. Наибольший эффект от применения геофизических методов достигается при соче- тании их с другими видами инженерно-геологических исследований.

При расположении подземных сооружений на глубине свыше 300 м разведочное бурение практически не производится и заменяется геофизическими методами разведки в сочетании с проходкой разведочных подземных выработок по оси сооружений, что позволяет составить представление о геологическом строении горного массива и решить комплекс инженерно-геологических вопросов, не прибегая к выполнению трудоемких и дорогих в этом случае буровых работ.

По регультатам изысканий, проведенных при помощи инженерногеологической съемки, разведочного бурения, разведочных горных выработок и геофизических исследований, составляется сводный инженерно-геологический отчет. К отчету в виде графических приложений прикладывается инженерно-геологические карты участков подземных сооружений и инженерно-геологические разрезы по трассе подземных сооружений. На разрезы наносят элементы геологического строения, тектоники, гидрогеологии, а также показывают разведочные выработки, места проведения полевых опытов, обнажения и другой фактический материал.

Для проектирования и строительства подземных сооружений наиболее важными являются следующие инженерно-геологические данные: геологическая структура и устойчивость горного массива; наличие зон размыва, провалов, оползней и карстов, а также сбросов, складок и т.д.; ожидаемое горное давление и вероятность встречи со значительным давлением; зоны и характер возможных обрушений и вывалов породы при ее разработке; физико-механические свойства пород и их прочность; сопротивляемость пород выветри- занию и выщелачиванию; пучение пород и его интенсивность; теплопроводность пород и ожидаемая температура в подземной выработке; углы естественного откоса пород; характер трещиноватости пород; характеристика водоносных горизонтов, направление и скорость движения подземных вод; объем ожидаемых притоков воды в подземные выработки; коэффициент фильтрации пород; химический состав пород и подземных вод и степень их агрессивности; подземные газы, их химический анализ; сейсмичность района и площадки строительства.

Многообразие природных явлений вызывает необходимость в каждом конкретном случае выявить геологические факторы, влияющие как на конструкцию подземного сооружения, так и на технологию производства работ.

Влияние стратиграфии. Большую роль при проектировании подземных сооружений играет учет расположения свиты пластов в пространстве, направление трещиноватости и выбор угла их пересечения осью подземного сооружения. При изучении стратиграфии района должны быть определены мощность каждого пласта, его падение и простирание (рис. 1.12). В породах с наклонными слоями возможно скольжение по плоскостям напластования, что вызывает неравномерное по контуру выработки горное давление.

Размер зон или площадок Fn, нарушаемых выработкой находится в зависимости от мощности пласта h, угла его падения а и угла подхода трассы Р, образуемого осью выработки с линией простирания (рис. 1.13).

При угле падения а = 90° размер зоны Fn увеличивается с уменьшением угла р и достигает максимального значения при р = 0. Минимальное значение размера Fn соответствует углу р = 90°.

При а < 90° размер площадки Fn увеличивается с уменьшением не только угла р, но и угла падения а. Особенно неблагоприятным для подземного сооружения является случай расположения оси сооружения по линии простирания горизонтально залегающей свиты пластов слабых пород, т.е. при а = 0 и Р = 0.

В связи с увеличением зон нарушения возрастает количество участков с повышенным горным давлением, а устойчивость каждого подсекаемого пласта снижается. В случае пересечения трассой сооружения свиты пластов крепких и устойчивых пород высокие прочностные свойства последних могут компенсировать неблагоприятное расположение трассы. Считается, что расположение подземного сооружения по простиранию мощных пластов горных пород выгоднее, чем под некоторым углом к нему, так как в первом случае поперечное сечение располагается в одной породе.

Значительные затруднения можно ожидать также при проходке выработок в контактно-метаморфических зонах, т.е. зонах соприкосновения различных пород, возникших в результате дислокационных процессов. В таких зонах горные породы всегда несколько разрушены. Контактные зоны представляют собой те области, в которых можно ожидать как повышенного горного давления, так и усиленного притока подземных вод. Значительный приток подземных вод возможен также при проходке выработок вкрест простирания пластов и пересечении водоносного пласта, заключенного между двумя водоупорами.

Влияние тектоники. Однообразие и простота внутреннего строения массива, ненарушенность его дислокациями горных пород служат наиболее благоприятными условиями для подземного строительства.

Подземные сооружения гидроэлектростанций чаще всего строятся в горных районах, где наиболее интенсивно проявились тектонические процессы. Поэтому большинство пород, вскрываемых при проходке подземных выработок, в большей или меньшей степени дислоцированы.

Тектонические нарушения, выраженные зонами разлома, оказывают влияние на конструкцию обделки и метод производства работ. Проходка таких зон часто связана с большими обвалами, иногда прорывами воды. В этих случаях при пересечении зон разлома приходится возводить усиленную обделку и применять более осторожные способы производства работ.

Наличие складчатости в массиве пород в виде антиклиналей и синклиналей существенно влияет на нагрузку от горного давления (рис. 1.14). При совпадении оси туннеля с осью прямой ненарушенной антиклинальной складки давление на обделку будет минимальным благодаря перекрытию подземной выработки естественным породным сводом, воспринимающим давление вышележащих слоев.

Расположение туннеля в одном из крыльев антиклинали вызовет одновременно с увеличением вертикального большое одностороннее боковое давление, вследствие которого возникает необходимость в сооружении мощной обделки несимметричного очертания.

Еще в более худших условиях окажется туннель, проложенный по оси синклинали, где вертикальное и горизонтальное давления могут достигать больших значений, особенно при водообильности подсекаемых пластов. В большинстве случаев в таких условиях необходимо возведение обделки, обладающей повышенной несущей

Особенно неблагоприятными для строительства туннелей являются тектонические нарушения в виде сбросов и сдвигов. Пересечение туннелем сброса опасно особенно в тех случаях, когда он располагается по линии простирания этого сброса или под острым углом к линии простирания. В зоне линии сброса горные породы всегда бывают сильно разрушены, иногда раздроблены в щебень, сцементированный глинистым материалом.

Минимум осложнения от пересечения сброса можно ожидать в том случае, если туннель пересекает сброс вкрест его простирания.

Сдвиги и сбросы часто располагаются группами, причем порода в промежутках между их плоскостями оказывается сильно перемятой и раздробленной (рис. 1.15). Наиболее опасным является сбросовый ров (грабен) - осевший участок земной коры между смежными, оставшимися на месте (рис. 1.15, а). В ненарушенном крыле ступенчатого сброса горное давление будет умеренным, однако здесь возможны выходы природных газов и значительный приток глубинных вод. Опущенное крыло характерно чрезвычайно высоким горным давлением и притоком поверхностных вод.

Выступ, ограниченный сбросами (горст) (рис. 1.15, б), отличается небольшим давлением, а многоступенчатый сброс (рис. 1.15, в) - давлением значительной интенсивности.

Таким образом, опущенные участки сбросов наиболее неблагоприятны для производства подземных работ.

Влияние опасности горных ударов. С расположением подземных сооружений на большой глубине при проходке выработок возникает опасность горных ударов. Горные удары - явление наименее изученное. Горные удары по силе и характеру проявления подразделяются на собственно горные удары, микооудары, толчки и стреляния. К внешним признакам, характеризующим удароопасность массива породы, могут относиться также интенсивное образование заколов и шелушение.

Собственно горный удар представляет собой мгновенное разрушение предельно напряженного целика, его части или части массива породы, проявляющееся в виде выброса породы в подземные выработки и имеющее тяжелые последствия (нарушение технологического процесса, разрушение крепи, смещение машин и др.). Микроудар - это мгновенное разрушение части целика или части массива породы, проявляющееся в виде выброса породы в подземные выработки, без тяжелых разрушительных последствий.

Толчок - разрушение породы в глубине массива без выброса в подземную выработку. Сопровождается звуком и сотрясением массива (сейсмическим эффектом). Возможно появление пыли, шелушение пород на обнажениях и образование трещин в бетонной крепи выработок.

Стреляние породы - отскакивание от краевой части массива линзообразных пластин породы с заостренными краями различных размеров с резким, похожим на выстрел звуком.

Интенсивное заколообразование - это явление возникновения заколов вслед за их оборкой. Оно происходит по ненарушенному массиву, не связано с видимой его трещиноватостью (слоистостью и сланцеватостью) и сопровождается, как правило, звуком. При этом образуются и отделяются плиты, по форме повторяющие контур выработки.

Шелушение - разрушение породы по контуру выработки на отдельные пластины, имеющие чаще всего чечевицеобразную форму с заостренными и рваными краями. Место шелушения в выработке выглядит свежим из-за постоянного осыпания пластин. Шелушение некоторых типов пород, связанное с физико-химическими процессами, не является признаком проявления удароопасности.

Склонными к горным ударам являются массивы, в пределах которых имеются породы с высокими упругими свойствами и способностью к хрупкому разрушению под нагрузкой, а также обладающие Достаточно высокими напряжениями в нетронутом массиве.

По степени удароопасности участки массива горных пород, примыкающие к подземным выработкам, подразделяются на три категории:

I категория - с повышенной опасностью проявления горного удара. Проходка выработок должна осуществляться с выполнением Мероприятий по приведению выработки в неудароопасное состояние. При этом должны быть приняты меры предосторожности, обеспечивающие безопасность людей, занятых на проходке выработки;

II категория - опасные по проявлению горного удара. Выработки должны быть приведены в неудароопасное состояние с осуществлением оценки эффективности принятых мер;

III категория - не представляющие непосредственной опасности проявления горного удара.

Проходка выработок может осуществляться без приведения в неудароопасное состояние с осуществлением периодического контроля степени удароопасности.

Горные выработки приводятся в неудароопасное состояние путем создания в краевой части массива пород защитной зоны шириной п, равной в большинстве случаев половине наибольшего размера поперечного сечения выработки, но не менее 2 м. Создание защитной зоны осуществляется одним из следующих способов: ка- муфлетным взрыванием, бурением сплошных разгрузочных щелей, сочетанием бурения разгрузочных скважин с камуфлетным взрыванием.

При создании защитной зоны в призабойной части выработок глубина скважин (шпуров) для камуфлетного взрывания или образования разгрузочных скважин.

Координация научно-исследовательских работ по проблеме горных ударов и окончательное заключение об отнесении того или иного массива или месторождения к угрожаемым осуществляет ВНИМИ (Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт горной механики и маркшейдерского дела).

Влияние газоносности горных пород. В горных массивах встречаются скопления опасных для человека природных газов. Известно много несчастных случаев с человеческими жертвами, произошедшими во время проходки выработок при внезапном выделений газов через трещины в горных породах. В связи с этим в процессе изысканий и при проходке подземных выработок должно быть уделено особое внимание изучению газоносности горных пород и под земных вод.

Оценка газоносности первоначально производится на основе име ющихся фондовых материалов и по общим геологическим соображениям, затем - на основе геологоразведочных работ, которые должны сопровождаться исследованиями в буровых скважинах и горных выработках свободных и растворенных газов.

Наиболее часто в подземных выработках встречается метан СН4, углекислый газ С02, сероводород H2S и азот N2. Самыми опасными являются взрывчатые метан и сероводород.

Метан часто встречается в нефтеносных, угольных и битуминозных отложениях, а также в породах, в которых имеются остатки растительного происхождения. Он не ядовит, но горюч и в соединении с воздухом образует взрывчатую смесь. Метан легче воздуха, поэтому он накапливается в верхних частях выработки.

Углекислый газ образуется в результате разложения веществ растительного и животного происхождения. Он тяжелее воздуха и накапливается в нижней части выработок. В большом количестве углекислый газ опасен для человека.

Сероводород образуется при разложении многих органических веществ, а также при действии воды на сульфиды, гипсы и т.п. Сероводород ядовит, но в малых дозах безвреден. Он легко узнается по своеобразному сильному запаху, что дает возможность быстро его обнаружить. Сероводород разрушающе действует на известковые растворы и бетон.

Азот встречается при проходке выработок в молодых изверженных породах.

Правилами безопасности установлены нормы допустимого содержания газа в воздухе, разработаны мероприятия, обеспечивающие безопасность работы в загазованных выработках. На стадии изысканий необходимо давать прогноз и о вредности пыли, образующейся при подземных горных работах.

Наиболее часто при подземных работах встречается пыль, содержащая свободный диоксид кремния Si02, вызывающий легочные заболевания - силикоз.

Влияние подземных вод. Самые большие затруднения при строительстве подземных сооружений и при их эксплуатации бывают связаны с наличием подземных вод.

При расположении туннеля ниже уровня подземных вод на его обделку действует гидростатическое давление, что необходимо учитывать при выборе конструкции и расчете обделок. Во многих случаях для ограждения туннеля от проникновения в него фильтрационных вод и снижения гидростатического давления на обделку необходимы специальные дренажные устройства и внутритуннельный водоотвод, иногда - гидроизоляция туннельных обделок.

В период проходки выработок приходится решать вопросы водоотлива. В некоторых случаях при большой водообильности массива требуются специальные методы проходки.

Влияние геотермики. Температура земли имеет двоякое происхождение - внутреннее и внешнее. Источником внутренней теплоты служат запасы энергии, заключенные в ее недрах. Поверхностные слои земной коры нагреваются за счет лучистой энергии солнца, и температура земной коры меняется в зависимости от климатических условий местности.

На некоторой, вполне определенной для каждой местности глубине климатические условия перестают оказывать влияние на температуру горных пород. Эта глубина носит название пояса постоянной температуры. Ниже глубины пояса постоянной температуры температура горных пород постепенно нарастает.

Геотермическая ступень - это глубина в метрах, отвечающая повышению температуры горных пород на 1 °С.

Геотермический градиент - это повышение температуры горных пород, которое соответствует углублению в массив на 100 м.

Например, для Москвы геотермическая ступень равна 34,8 м, откуда геотермический градиент 2,87 °С (рис. 1.16).

При постройке туннелей на большой глубине важное значение приобретает борьба с высокими температурами, существующими внутри горных массивов. Высокая температура ухудшает условия работы, требует мощного оборудования для вентиляции подземных выработок, а в некоторых случаях - охлаждения воздуха в системе вентиляции. Поэтому при проектировании туннелей, расположенных на большой глубине, необходимы данные о температуре, ожидаемой в глубине массива.

Влияние вечной мерзлоты. Вечная мерзлота характеризуется температурой массива горных пород ниже 0°С, не повышающейся в течение длительного времени - от нескольких лет до тысячелетий. Образование вечной мерзлоты связано с климатическими я физико-географическими условиями.

Массив вечномерзлых трещиноватых скальных и полускальны горных пород можно рассматривать как сложную механическую систему, состоящую из отдельных блоков и слоев различных размеров и форм, сцементированных льдом или льдонасыщенных дисперсными образованиями. Характерной особенностью вечномерзлых коренных трещиноватых горных пород является заполнение всех естественных трещин (независимо от их происхождения) льдом или льдом с различными рыхлыми заполнителями.

Показателем содержания ледяных включений в трещиноватых скальных и полускальных породах является объемная льдистость - отношение объема льда к объему мерзлой породы в процентах. Как правило, наибольшая льдистость имеет место в верхней части массива в зонах интенсивного выветривания и разгрузки. С глубиной льдистость уменьшается. Механические свойства вечномерзлых горных пород зависят от их льдистости и температуры.

Вечномерзлые трещиноватые коренные горные породы обладают реологическими свойствами - способностью изменять во времени напряженно-деформированное состояние. Под влиянием нагрузки в вечномерзлых породах развиваются длительные по времени деформации (явление ползучести).

Ползучесть вечномерзлых пород определяется количеством и распределением льда в породе и температурой мерзлой толщи. При напряжениях меньше предела длительной прочности ползучесть имеет затухающий характер; при напряжениях, превышающих этот предел, создаются условия для разрушения контактов между породой и льдом и последующего разрыва сплошности пород.

Изменение температурного режима вечномерзлых горных пород существенно влияет на их несущую способность, устойчивость сооружений и сопротивляемость внешним нагрузкам.

Образование зон оттаивания вокруг гидротехнических подземных сооружений приводит к увеличению нагрузок на обделку за счет резкого сокращения прочности и устойчивости пород. Периодические промерзание и оттаивание пород приводят к их дальнейшему разрушению.

Вечномерзлое состояние породного массива оказывает как положительное, так и отрицательное влияние на подземные работы, их безопасность и эффективность. К факторам, облегчающим подземные работы, можно отнести повышенную несущую способность и устойчивость мерзлых пород и отсутствие притоков воды в подземные выработки. Отрицательное влияние оказывают весьма низкие температуры в выработках, затрудняющие ведение подземных работ.

Для проектирования гидротехнических подземных сооружений, располагаемых в вечномерзлых грунтах, необходимы следующие инженерно-геологические данные:

расчетные значения упругих и прочностных характеристик вечномерзлых горных пород в мерзлом и талом состояниях;

характер и степень трещиноватости и льдистости мерзлых горных пород, наличие отдельных линз льда;

теплофизические характеристики горных пород; температуры вечномерзлых пород;

температурное поле при установившемся тепловом режиме, образующееся в массиве в результате эксплуатации подземных сооружений.

Подземные сооружения гидроэлектростанций. - М.: Энергоатомиздат, 1996.