2577

скальных и скальных сильнообводненных пород с притоком воды более 200 м3/ч на забой; величина прогнозируемого горного давления на обделку более 0,6 МПа; возможность деградации вечной мерзлоты, приводящая к резкому нарастанию горного давления на обделку тоннеля.

С особой тщательностью необходимо изучить инженерногеологические условия в зоне подземного сооружения, непосредственно примыкающей к трассе тоннеля (рис. 2.1).

Ширину этой зоны вдоль оси тоннеля определяют в зависимости от геологических и гидрогеологических условий (10 30 м). По высоте зона подземного сооружения, расположенная в связных, полускальных и скальных породах, составляет 30 40 м выше кровли тоннеля и 8 10 м ниже подошвы тоннеля. Зона подземного сооружения над тоннелем, расположенная в малосвязных и сыпучих породах, включает всю толщу пород до земной поверхности.

В результате изысканий разрабатывают рекомендации по выполнению строительных работ, устанавливают степень надежности и долговечность тоннеля в данных инженерногеологических условиях. Недостаточно точный прогноз инже- нерно-геологической ситуации может значительно усложнить тоннелестроительные работы и привести к непредвиденному увеличению сроков и стоимости строительства вследствие вынужденных изменений трассы тоннеля, конструкции обделки и спо-

а)			б)

30 40 м
8 10 м	8 10 м

в)

10 30 м

10 30 м

Рис. 2.1. Зоны подземного сооружения: а – в связных и скальных породах; б – в малосвязных и сыпучих породах; в – ширина зоны (в плане)

22

соба производства работ. Ошибки в оценке геологических условий также могут отрицательно сказаться на состоянии окружающей среды: возникают нарушения устойчивости породного массива, недопустимые осадки поверхности земли и даже разрушение тоннеля.

Например, просчеты в изучении геологии Симплонского (чрезвычайно сильное горное давление, большой приток воды, высокая температура) и Лечбергского (слабые породы вместо скальных, малая глубина заложения, прорывы пульпы – 7000 м3 и вод реки) тоннелей привели к увеличению стоимости и срока строительства. При проходке Северо-Муйского тоннеля на БАМе в зоне намыва ложа р. Ангаракан в песках, гравии, щебне и валунах оказались источники воды. Прорыв пульпы (около 5 тыс.м3) задержал строительство почти на 2 года.

Из-за неправильного прогноза инженерно-экономических условий и выбора вследствие этого несоответствующих способов производства работ, которые пришлось изменять, были задержаны сроки сдачи в эксплуатацию трех крупнейших тоннелей в Альпах (Сен-Бернар, Монблан, Сен-Готард).

Поэтому необходимо всестороннее исследование горного массива, тщательное изучение полученных материалов и квалифицированный анализ общей инженерно-геологической обстановки. Геологическое строение пород по трассе тоннеля, инже- нерно-геологические характеристики, гидрогеологические условия и ряд общих вопросов строительства устанавливаются в результате инженерно-геологических изысканий.

2.2. ЭТАПЫ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Инженерно-геологические изыскания выполняют в определенной последовательности, по этапам.

1-й этап. Рекогносцировка местности.

Изучают архивные литературные и картографические материалы по геологии и гидрологии района строительства: карты, аэрофотодокументы, геологические разрезы и т.п. и оценивают климат, рельеф и геоморфологию местности, свойства и условия

23

залегания горных пород, уровень расположения и характер движения подземных вод. Составляют предварительно характеристику инженерно-геологических условий местности, что позволяет запроектировать варианты тоннеля и выбрать из них наиболее перспективные.

2-й этап. Крупномасштабная съемка местности (на стадии ТЭО).

Выполняется геологическая съемка местности наземными методами, с помощью аэрофотосъемки и аэровизуальных наблюдений (в последнее время стали применять космическую съемку) с целью изучения рельефа, геологического и тектонического строений горного массива, режима подземных вод, характера проявления физико-геологических процессов. Производится общая оценка инженерно-геологических условий местности и выбор оптимального варианта тоннеля.

3-й этап. Геолого-техническая разведка (на стадиях проекта и рабочей документации).

Определяются количественные характеристики: горное давление, физико-механические свойства пород, приток подземных вод, температура и другие данные, необходимые для проектирования конструкции тоннеля, параметров временной и постоянной крепи, способов разработки породы, прогнозирования состояния горного массива в процессе проходки тоннеля.

Основным методом разведки является бурение вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин по трассе тоннеля. Вертикальные скважины диаметром 75 300 мм бурят с земной поверхности в несколько рядов по длине тоннеля через 100 150 м, в городах – через 25 50 м. Глубину скважин устанавливают на 8 10 м ниже подошвы тоннеля, а в сложных геологических условиях их углубляют на 2 м в пласты устойчивых пород, расположенных под подошвой тоннеля. Горизонтальные скважины бурят из забоя по направлению трассы тоннеля, их глубина достигает 200 500 м. Дополнительно для визуального наблюдения строения горного массива и непосредственного изучения геоло- го-гидрологических условий проходят шурфы, разведочные штольни, шахтные стволы, пилот-тоннели (рис.2.2).

24

Рис. 2.2. Разведочные выработки по трассе строящегося горного тоннеля: 1 – вертикальные разведочные скважины; 2 – шурфы; 3 – вертикальный шахтный ствол; 4 – наклонный шахтный ствол; 5 – тоннель; 6 – пилот-тоннель; 7 – горизонтальная разведочная скважина; 8 – разведочная штольня

При значительной глубине заложения горных тоннелей или наличии плотной застройки и густой сети подземных коммуникаций в городах используют геофизические методы разведки. Эти методы основаны на косвенном изучении инженерногеологических и гидрогеологических условий путем измерения различных физических показателей горных пород. Наиболее широко применяются электрические (измеряется электрическое сопротивление породы), сейсмические (измеряется скорость распространения ударных волн в горном массиве), радиоактивные (измеряется количество частиц распада радиоактивных элементов в породе), магнитометрические (измеряется магнитное сопротивление породы), гравиметрические (измеряются силы тяжести породы) методы. Эффективность геофизических методов заключается в возможности исследования крупных областей горного массива и сокращении объемов буровых и горнопроходческих разведочных работ.

Для уточнения геологических данных на трассе в сухих и маловлажных несвязных породах применяют зондирование – вдавливание в породу конусов или штанг либо забивку молота с конусным наконечником, при котором определяют сопротивление породы статическим и динамическим нагрузкам, плотность и

25

модуль деформации песчаных пород, глубину заложения скальных и крупнообломочных пород.

2.3. СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Выбор конструкции тоннеля и технологии производства подземных работ во многом определяется свойствами горных пород, в которых сооружается тоннель. Свойства пород в первую очередь зависят от их минерального состава и строения. Минеральный состав характеризует объемное содержание в породе различных минералов. Строение породы – это совокупность признаков, описывающих степень связи между частицами породы, их размеры, форму и взаимное расположение. Особо важен характер связей между частицами для разработки породы и выбора крепи при производстве горнопроходческих работ.

По характеру связей между частицами различают следующие типы пород:

I. Твердые. Они имеют жесткую упругую связь между частицами минералов, которая обеспечивает сохранение формы. В этом типе выделяют скальные и полускальные породы.

Скальные породы – крепкие, с жесткими связями, при насыщении водой силы сцепления не исчезают. Предел прочности при одноосном сжатии – от 50 до 350 МПа. Породы этого типа: граниты, диабазы, базальты, гнейсы, крепкие песчаники и известняки.

Полускальные породы – сцементированные, у них наряду с жесткими проявляются и пластичные связи. При насыщении водой силы сцепления значительно снижаются либо иногда полностью исчезают. Предел прочности при сжатии – от 20 до 50 МПа. Породы: слабые песчаники и известняки, доломиты, мергели, песчанистые и глинистые сланцы, аргиллиты, алевролиты.

Твердые породы разрабатываются в основном с помощью буровзрывных работ.

II. Связные (пластичные). Они отличаются тем, что при насыщении водой переходят в пластичное состояние. Выделяют плотные и мягкие породы.

26

Плотные. При динамических нагрузках подвержены хрупкому разрушению, при длительном воздействии нагрузок ведут себя как пластичные тела. Предел прочности при сжатии – 10 20 МПа. Разрабатываются горными машинами без предварительного разрушения. Породы: твердые глины, бокситы, мел.

Мягкие. При высыхании становятся полутвердыми, при насыщении водой набухают. Легко разрабатываются без предварительного рыхления всеми видами выемочных машин. Предел прочности при сжатии – 1 10 МПа. Породы: песчаные глины, суглинки, нарушенные магматические и метаморфические скальные породы.

III. Рыхлые (раздельнозернистые). Связи между частицами ничтожно малы или отсутствуют, т.е. эти породы являются простыми механическими смесями частиц минералов либо обломков твердых пород. Выделяют сыпучие, текучие и разрушенные породы.

Сыпучие. Силы сцепления между частицами практически отсутствуют. Предел прочности при сжатии – менее 1 МПа. Породы: различные пески, гравий, галечник, лёсс, поверхностные грунты.

Текучие. Минеральные частицы разделены водой и перемещаются только с ней, особенно неустойчивы. Предел их прочности на сжатие – менее 0,1 МПа. К ним относятся: плывуны, болотистый и растительный грунты, обводненные лёсс, пески и глины.

Разрушенные. Взорванные, раздробленные и разрыхленные породы с полным отсутствием сил сцепления между частицами.

Кроме того, весьма важное значение имеют также физикомеханические свойства горных пород, поскольку от них зависят прочность и устойчивость массива, в котором сооружаются тоннели. Эти свойства – прочность, твердость, абразивность, крепость, трещиноватость, слоистость, выветриваемость, размягчаемость, растворимость, морозостойкость и ряд других. Необходимо определять такие горнотехнические характеристики, как модули деформации и упругости, коэффициент упругого отпора, ползучесть, релаксация, коэффициент фильтрации.

27

2.4. УСЛОВИЯ ЗАЛЕГАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Знание свойств горных пород является еще недостаточным для проектирования тоннелей. Одни и те же горные породы поразному могут залегать на трассе тоннеля. Опытом установлено, что тоннели, проведенные в склонах гор или на большой глубине, находятся в значительно более тяжелых геологических условиях, чем вершинные тоннели. Очевидно, что прочность горного массива в разных его частях различна. Теоретически это явление объясняется действием тангенциальных (горизонтальных) и вертикально направленных глубинных сил, сопутствующих горообразовательным процессам. Под влиянием тангенциальных сил образовались складки, в результате действия вертикальных – сдвиги и сбросы.

Горные складки при своем образовании неравномерно подвергались действию тангенциальных сил: боковые склоны гор и вогнутости находились под более интенсивным их воздействием, а выпуклые части испытывали меньшее давление. Соответственно давлению неравномерно нарушалась и прочность самого массива. Поэтому при наличии изогнутой свиты пластов выпуклые складки предпочтительнее косых, наклонных, лежащих или опрокинутых. При положении трассы по оси прямой выпуклой складки (антиклинали) обделка тоннеля, несмотря на значительную глубину заложения H1, будет подвержена меньшему вертикальному горному давлению q1, чем при расположении трассы в крыле антиклинали q2, где глубина заложения H2 меньше (рис. 2.3). При этом возникает одностороннее боковое давление p2, при котором необходимо сооружать обделку несимметричного очертания. Еще в более худших условиях будет находиться тоннель, проложенный по оси синклинали (вогнутой складки), где величины вертикального q3 и горизонтального p3 давлений породы могут достигать чрезвычайно больших значений и вызвать необходимость устройства очень мощной обделки.

При наличии сбросов или сдвигов строительство тоннеля будет сопряжено с большим притоком воды и высоким горным давлением, что может даже потребовать переноса трассы в более надежную часть массива. Сдвиги и сбросы часто располагаются

28

Рис. 2.3. Зависимость конструкции обделки от ин- женерно-геологических условий

группами, причем порода в промежутках между плоскостями сброса оказывается сильно перемятой и раздробленной. Эти участки называются зонами тектонического разлома (рис. 2.4).

	Обычно они отличаются резким
	увеличением горного давления
	и большим дебитом подземных
	вод, прорывающихся в подзем-
	ную выработку, иногда со зна-
	чительным напором. Кроме то-
	го, в зонах тектонического раз-
	лома возможны обвалы боль-
	ших масс породы, вызывающие
	крупные аварии и разрушения,
	что необходимо учитывать при
	составлении	проекта производ-
Рис. 2.4. Тоннель в зоне сброса	ства работ	и конструировании
	обделки.
	29

Рис. 2.5. Сбросовый рельеф: а – грабен; б – горст; в – многоступенчатый сброс; стрелками указано направление действия тектонических сил

Влияние сбросов и сдвигов в каждом отдельном случае бывает различным в зависимости от формы дислокации (нарушения строения пород). Наиболее опасным является грабен – сбросовый ров, при котором происходит опускание средней части участка породы между двумя прилегающими зонами разлома (рис. 2.5). При наличии такого сброса в приподнятом его крыле горное давление будет умеренным, но могут встретиться газы и большой приток глубинных вод. Опущенное крыло отличается чрезвычайно высоким давлением и значительным притоком вод, поступающих с поверхности.

Выступ, ограниченный сбросами, – горст – характерен проявлениями небольших давлений, а многоступенчатый сброс – горным давлением значительной интенсивности. Таким образом, опущенные участки сбросов более неблагоприятны для производства тоннельных работ, чем приподнятые.

Неблагоприятным фактором при сооружении тоннелей является так называемая вторичная сланцеватость, при которой породам свойственна повышенная разрушаемость, сопровождающаяся увеличением горного давления и частыми вывалами мелких объемов породы. В то же время разработка таких пород с помощью буровзрывных работ и отбойных молотков недостаточно эффективна из-за системы мельчайших трещин и щелей в этих породах.

Немаловажную роль играет характер расположения пластов породы в пространстве и выбор угла пересечения их тоннелем. Положение пласта в пространстве характеризуется линиями па-

30

Линия

падения

Сдения и простирания, которые определяются соответствующими углами (рис.

2.6).

Углом падения называется угол, составляемый плоскостью пласта и горизонтальной плоскостью, а углом простирания – угол, составляемый линией простирания и меридианом.

Наиболее благоприятное распо-

ложение тоннеля будет в том случае,

			когда трасса пройдет вкрест простира-
			ния и при крутом падении пластов при
			= 60 90 (рис. 2.7, а). При пересече-
	Линия		нии тоннелем свиты пластов крепких и
	простирания		устойчивых пород возможна разработ-
		Ю
			ка пород сразу на полное сечение, а
	Рис. 2.6. Элементы
			монолитная обделка может быть заме-
	пласта породы
			нена тонкой облицовкой.

а)	б) Возможный
	вывал

1

				2	Рис. 2.7.	Схемы
		1
					расположения	тоннелей

вкрест простирания пласта: а – крутое падение пластов; б – пологое падение пластов; 1 – тоннель; 2 – застройка

31