Геологические условия заложения тоннелей и методы инженерно-геологических исследований
|
Условия проходки тоннелей зависят, в основном, от состояния горных пород (неповрежденное, разрушенное, разложившееся) и от горного давления, передаваемого ими на обделку тоннеля. К причинам проявления горного давления относятся прежде всего повреждения пород механические (например, трещины) и химические, выражающиеся в распаде отдельных минеральных составляющих горных пород. Характер этих повреждений, проявляющихся при проходке тоннелей в различных породах, очень разнообразен и требует тщательного исследования для установления величины нагрузки, действующей на конструкцию подземного сооружения. Горные породы, встречающиеся при проходке тоннелей, могут быть изверженными, осадочными и метаморфическими. Изверженные породы излившиеся (экструзивные) имеют мелкокристаллическое строение, т. е. так называемую скрытокристаллическую структуру. К ним относятся такие, как риолит, состоящий в основном из кварца и полевого шпата, и базальт, состоящий из полевого шпата и пироксена. Разновидность изверженных — расплавленные породы, оставшиеся в полостях земной коры и подвергшиеся медленному охлаждению и кристаллизации, имеют полнокристаллическую структуру с большими кристаллическими зернами, к таким породам (интрузивным) относится гранит,, отличающийся от риолита только более крупной величиной зерен, диорит и габбро (разновидность базальта). К осадочным породам относятся несколько групп, из которых наиболее важными являются сцементированные обломочные породы, такие, как конгломераты, песчаники и сланцеватая глина, а также породы органического происхождения — известняки и доломиты. Все осадочные породы образуются напластованиями с выраженными границами между соседними слоями — поверхностями напластования; слои мелкозернистого песчаника обычно разделены прослойками глины, а пласты крупнозернистого могут чередоваться с мелкозернистыми пластами толщиной от нескольких сантим до нескольких м. Грубозернистые осадочные — гравий и песок — обычно превращаются в горную породу при осаждении вяжущих материалов (кальциевого карбоната) и водных растворов. В результате консолидации мелкозернистых осадков, таких, как ил или глина, образуются сланцы, что происходит за счет срастания примыкающих гранул на месте отложения под длительным влиянием высокой температуры и давления. Интенсивность превращения ила и глины в сланцы, так же как и их удельный вес, возрастают с увеличением глубины залегания. Основные свойства сланца — откалывание отчетливо очерченных пластинок при ударе отбойного молотка и неизменность объема при погружении в воду. Метаморфические породы образуются в результате длительных процессов перекристаллизации при высокой температуре и большом давлении. При этом пористость породы уменьшается, а прочность и удельный вес увеличиваются вследствие потерь химически связанной воды. Так, известняки превращаются в мрамор, а песчаники — в кварцит. При средних величинах температуры и давления из глинистых сланцев образуются шиферные и кристаллические сланцы. С последующим усилением процессов получаются очень плотные и твердые гнейсы. Все метаморфические породы такого происхождения благоприятны для тоннелестроения. Шиферные и кристаллические сланцы характерны повышенным содержанием слюдянистых материалов в виде слоистых частиц, ориентированных параллельно одной плоскости, в результате чего они сравнительно легко расщепляются на тонкие пластинки (кливаж). Это значительно снижает механические свойства породы и способствует попаданию влаги в трещины и, следовательно, выветриванию. В гнейсах процент слоистых составляющих ниже, чем в кристаллических сланцах, и поэтому их прочность приближается к прочности изверженных пород; минералогический состав гнейсов подобен граниту. Промежуточное положение занимают гранито-гнейсы. Для тоннелестроения имеет большое значение наличие механических нарушений горной породы, которые образуют систему трещин, расположенных на различных взаимных расстояниях — обычные трещины или трещины отдельности и более крупные, связанные с относительными смещениями примыкающих массивов горной породы, т. е. сбросами, в районе которых обычно образуется разрушенная зона или зона дробления. Возникновение трещин в изверженных породах вызвано всесторонним объемным сжатием пород в результате охлаждения в процессе их образования. В деформированных породах трещины — следствие нарушений сплошности массива при больших напряжениях. В изверженных, быстро охлажденных породах трещины обычно расположены близко друг от друга; примером может служить столбчатый базальт, состоящий из тонких (10—25 см) колонн, не препятствующих свободной циркуляции воды. В крупнозернистых породах — гранитах — обычно образуются трещины трех направлений, делящие массив породы на призматические блоки шириной от нескольких сантим до нескольких м; ориентация трещин в большинстве случаев — бессистемна. Блоки породы, образованные в массиве таким расположением трещин, имеют поверхности контакта, подверженные разрушению при любых изменениях взаимного расположения блоков. Трещины в осадочных породах обычно представлены тремя системами — одной, параллельной плоскости напластования, и двумя ей приблизительно перпендикулярными. В известняках и песчаниках трещины каждой системы расположены на расстоянии нескольких м одна от другой, а в сланцах значительно ближе. При разработке сланцы отделяются небольшими обломками, имеющими глянцевитые поверхности, называемые поверхностями скольжения. Трещины в метаморфических породах состоят из двух или более систем, ориентированных приблизительно под прямым углом к плоскости кливажа. Отрицательная роль трещин в любых породах для тоннельного строительства очень велика, так как с ними непосредственно связаны как значительные переборы, так и обилие воды в тоннельных выработках. Следует учитывать в расположении и размерах трещин такую закономерность, как увеличение расстояния между трещинами и уменьшение ширины их раскрытия по мере увеличения глубины залегания пород. Для предварительного определения общей характеристики системы трещин необходимо перед началом строительства тоннеля тщательно обследовать обнажения пластов пород, а также использовать глубинную разведку при помощи скважин. Сбросы, складки и надвиги, являющиеся результатом больших дислокаций в земной коре, представляют собой деформации пластов пород вдоль плоскостей разрыва. Сбросы и взбросы характеризуют относительные смещения отдельных блоков породы вдоль плоскостей, наклоненных под тупым углом к смежному блоку. Эти явления носят название нормальных сбросов. Складки и надвиги, являющиеся результатом спрессования горных пород, имеют различную форму и изменяются от пологих неровностей до крутых складок, симметричных, асимметричных или опрокинутых; они обычно располагаются параллельно друг другу. Пологие складки, как правило, симметричны относительно вертикального сечения, проходящего через гребень складки, но встречаются и асимметричные складки с различной крутизной их ветвей. Разрыв пластов породы под действием одностороннего бокового давления называется надвигом. Механические повреждения горных пород, вызванные процессом образования складок, зависят, в основном, от величины и характера напряжений деформированного состояния горных пород. В этом отношении песчаники, кварциты и изверженные породы следует отнести к разряду надежных, а глинистые и шиферные сланцы — ненадежных. Известняк надежен на значительных глубинах залегания, что связано с его перекристаллизацией при высоком давлении и температуре. Степень надежности горных пород определяется также их состоянием вблизи надвигов. Явно заметный сброс обычно наблюдается в надежных породах и, наоборот, в ненадежных породах сброс в тоннеле может быть едва заметен. В горных породах, залегающих на большой глубине, происходят и восстановительные процессы. При этом в некоторых местах почти полностью восстанавливаются разрывы (трещины или сбросы) благодаря отложению минеральных веществ на плоскостях разрывов и приданию породе повышенной прочности, соответствующей скальному массиву. Минеральные вещества поступают с большой глубины в горячих растворах или в газообразном состоянии. Такое упрочнение раздавленных пород может происходить одновременно с процессами их разрушения, в результате чего получается порода, известная как микробрекчия. Проходка тоннеля в толще разрушенной породы может оказаться в условиях — от песка и глины до скальной породы. Поэтому геологические исследования в зонах значительных сбросов нужно выполнять особо тщательно для выявления вероятных значительных отклонений от средней величины горного давления. Наряду с механическими нарушениями наблюдаются химические повреждения горных пород, вызванные изменением состава пород или удалением частей, слагающих породу, в результате химических реакций минералов и воды. Вода поступает в пустоты между минеральными частицами по трещинам и сбросам как из низших слоев, так и с поверхности. Химическая активность воды зависит от содержания в ней в растворимом состоянии различных газов и твердых частиц. Хотя пористость плотных пород незначительна (0,5—2,0%), но их проницаемость относительно велика вследствие обычно большой скорости протекания воды через поры. Химическое воздействие дождевой воды приводит к химическому выветриванию, а восходящих потоков теплой воды — к гидротермическому изменению. Выветривание выражается в разложении химически нестойких составляющих пород (например, полевой шпат) и в переходе в раствор растворимых (например, карбонат кальция). Выветрившиеся продукты разложения превращаются в поверхностные грунты как последнюю стадию выветривания горных пород. Гидротермические изменения могут привести к заполнению открытых трещин отложениями из раствора кварца и к превращению мягких пород (например, слабого песчаника) в крепкие породы (например, в кристаллический сланец или гнейс). С другой стороны, восходящие горячие растворы, проникающие через горные породы, могут уменьшить их прочность. Последнее обстоятельство весьма существенно и поэтому его всегда необходимо принимать во внимание при тоннельном строительстве. Гидротермические изменения очень активно протекают в сбросовых зонах на любых глубинах, где образуются напорные подземные дренажи периодического или непрерывного действия. В известняке этот процесс создает систему карстовых образований в виде отдельных каналов, системы каверн и пещер, отделенных друг от друга неповрежденной породой. Подобные карстовые образования могут быть открытыми или заполненными нерастворимыми составными частями известняка и глиной. При проходке тоннелей в таких условиях вероятны неожиданные прорывы воды или смеси воды с песком и глиной при неповрежденном состоянии основного массива породы. Обломочные породы, образованные из обломков предшествовавших им горных пород любого типа за счет их цементации или прорастания зерен, при химическом разложении превращаются в их первоначальные составляющие. К таким породам относятся кварцевые конгломераты, кварцы, песчаники и сланцы. Метаморфические породы, различающиеся по содержанию в них кварца или кальция (кварцит и мрамор), слюдяных минералов (слюдяные сланцы), подвергаются различным видам выветривания, например, кварцит выветриванию, а мрамор растворению; слюдяные сланцы при распаде образуют продукт разложения, обладающий свойствами глины. Разложившиеся метаморфические породы со свойствами глин создают опасность оползания внутрь незакрепленных тоннелей, что объясняется медленным вязким течением продукта разложения при неизменном содержании в нем воды. Набухание пучащих пород может создать значительное давление на тоннельную обделку. Наибольшее пучение свойственно бентонитам. Изверженные породы содержат химически нестойкие минералы, при распаде которых образуются глинистые составляющие. Окончательный продукт изменения этих пород близок по состоянию к кристаллическому сланцу, а при водонасыщении может быть пучинистым. Химическое разложение горных пород можно обнаружить по глухому звуку при ударе молотком, отсутствию блеска и наличию местных пятен, по распаду обломков под влиянием воздуха, разрушению образца при низком давлении до изменения его величины и т. п. Эти признаки нужно тщательно изучать в процессе проходки тоннелей. Строительство тоннелей в зонах интенсивных химических изменений горных пород сопряжено с проходкой массива разнородных состояний, в силу чего бывает необходимо изменять по ходу работ как способы проходки, так и типы крепей. Вопросы устойчивости и условия залегания горных пород имеют особое значение при расположении тоннеля на косогорах, а также при наличии оползневых явлений, направленных поперек трассы. При большой площади района с нарушенным равновесием земляных масс, мощной толще оползня и глубоком расположении грунтовых потоков (что по совокупности исключает возможность трассирования в обход оползня или его стабилизации) проложение трассы в тоннеле наиболее целесообразно. Для расположения тоннеля в зоне устойчивых пород необходимо отклонять трассу в сторону косогора или пропускать ее ниже оползня. Устойчивость и прочность массива зависят от условий залегания горных пород, главным образом осадочных. Сложные формы залегания горных пород, зависящие от тектонических явлений, служат причиной изменчивости инженерно-геологических условий на коротком протяжении участка. В тектонически сложных районах тоннели могут проходить в различных направлениях по отношению направления горных пород, что при наличии излияний магматических пород, залегающих несогласно с осадочными породами, может значительно осложнить достройку тоннелей. В состав инженерно-геологических исследований входит комплекс геологических, гидрогеологических, инженерногеологических и лабораторных исследований, обеспечивающих: - правильный выбор положения тоннеля в плане и профиле и конструкций его постоянной обделки как долговечного сооружения; - установление способов производства работ, а также сроков и стоимости строительства. В результате проведения комплексных исследований должны быть исчерпывающе освещены: геологическое строение горного массива, инженерно-геологическая характеристика, гидрогеологические условия, общие вопросы. Геологическое строение освещает стратиграфию, литологию, геоморфологию и тектонику. Инженерно геологическая характеристика включает общую устойчивость горных пород, оценку активных физико-геологических явлений, т. е. карстов, оползней, размывов, осыпей, тектонических нарушений и т. п., ожидаемые условия проявления горного давления и его возможную интенсивность, оценку типа и размеров возможных обрушений и вывалов породы, физико-механические свойства горных пород, подземные газы и температуру тоннельной выработки. Гидрогеологические условия характеризуют водоносные горизонты, режим грунтовых вод, т. е. расход, направление, скорость, коэффициент фильтрации, а также температуру, химический состав и ожидаемый напор, что в совокупности необходимо для проектирования конструкции тоннелей и способов их возведения. Эти условия имеют весьма важное значение как при постройке тоннелей, так и во время их эксплуатации. Объясняется это тем, что большой приток воды в подземные выработки требует устройства и оборудования мощных водоотливных установок и принятия мер по изоляции обделок. К общим вопросам относят климатические условия, географическое положение, транспортные связи района строительства, наличие местных строительных материалов, возможность использования грунтовых вод и пр. Инженерно-геологические исследования обычно проводят в два этапа: на стадии проектного задания и на стадии рабочего проекта и, кроме того, в относительно минимальном объеме при техникоэкономических обоснованиях. При особо сложных инженерно-геологических условиях, а также в случае изменения отдельных участков тоннелей в плане или профиле проводят дополнительные исследования по вариантам трассы. В состав работ по инженерно-геологическим исследованиям обычно входят: 1) изучение литературных источников по геологии и гидрогеологии района намечаемого строительства, детальная инженерно-геологическая и гидрогеологическая съемка; 2) разведочные работы — буровые, горные, геофизические; 3) специальные исследования. Геологическая съемка в масштабе 1:5000 и 1:2000, а в особых условиях 1:1000 и 1:500, а также специальные наблюдения по гидрогеологии района могут дать достаточный материал для предварительной, а в некоторых случаях и окончательной оценки геологических и гидрогеологических условий района трассы тоннеля. Так как изыскания трассы тоннеля обычно ведут в широких пределах района, то и геологические исследования должны охватывать достаточно широкую полосу, выходящую за пределы возможных вариантов трассы. Последующие геологоразведочные работы ведут в необходимом объеме по вариантам трассы, устанавливаемым на основе собранных и обработанных материалов исследований, в том числе одиночных разведочных скважин. Основой для проектирования разведочных скважин и шурфов принимают: на стадии проектного задания — план района трассы в горизонталях, на стадии рабочего проекта — план и профиль трассы. В зависимости от стадии проектирования буровые работы ведут с различными расстояниями между скважинами. В стадии разработки проектного задания достаточно бурение 50% разведочных скважин, необходимых для установления всех исходных парам сооружения в стадии разработки рабочего проекта. Для особо сложных условий число разведочных скважин может достигать 70%. При полном объеме исследований трассы тоннелей длиной до 200 м проводят бурение семи скважин, из которых три находятся на оси тоннеля, а четыре — на двух поперечниках. При большей длине тоннеля принимают расстояния между скважинамй по оси тоннеля в 150 м и между поперечниками — в 200 м, на каждом из которых бурят по две скважины. Кроме этого, дополнительно размещают по одному поперечнику у каждого портала. По окончании проходки все скважины должны быть тщательно затомпонированы глиной, а в водосодержащих прослойках — песком и щебнем. Как правило, следует применять машинное бурение, и только в особых условиях — при небольшой глубине скважины, невысокой прочности пород или трудности доставки на перевальный участок машинного оборудования — допустимо ручное бурение. При прохождении наносных и слабосцементированных коренных пород применяют ударно-вращательное бурение. В твердых коренных породах лучший вид бурения — колонковое, дающее возможность отбора проб в виде столбиков горных пород (кернов), что обеспечивает более наглядное представление о геологическом строении массива. С этой целью необходимо извлекаемые через каждые 0,5 м образцы пород тщательно описывать в отношении трещиноватости и всех изменений, вызванных процессами выветривания, выщелачивания и растворения. Глубину скважин, их диаметр и вид бурения выбирают в зависимости от глубины заложения тоннеля и особенностей геологического строения массива. Во всяком случае глубину опорных разведочных скважин принимают на б м ниже отметок проектируемого основания сооружения, а в случае сложных инженерногеологических условий последнего скважины углубляют на 2 ж в расположенные ниже устойчивые породы. Конечный диаметр разведочных скважин должен быть не менее 55 мм, при отборе кернов не менее 85 мм, а при ударно-вращательном бурении — не менее 115 мм. Для получения более точных данных о массиве применяют горно-разведочные работы, заключающиеся в проходке шурфов, стволов шахт и штолен и изучении качества горных пород как непосредственно в стенках выработки, так и на отобранных образцах. Разведочные штольни дают наиболее ценный и достоверный материал для выбора способов проходки и крепления будущих тоннелей на всем их протяжении без необходимости прибегать к методу предположений. В дальнейшем эти штольни могут быть использованы для проведения таких работ, как исследование величины горного давления, получение в натуре коэффициента упругой деформации пород и т. п. Все приведенные основные методы инженерно-геологических исследований трассы тоннеля позволяют собрать, систематизировать и тщательно обработать обширный материал и получить геологические разрезы по всем вариантам проектируемой трассы тоннеля. Для ускорения и удешевления обычных разведочных работ одновременно с ними можно применять геофизические методы разведки, получившие широкое распространение в работах комплексных экспедиций Академии наук России. К таким методам, дающим возможность обнаружить и изучить непосредственно с поверхности земли последовательность напластований горных пород, их состав, тектонику, форму нарушений и т. п., можно отнести: гравиметрию, магнитометрию, сейсмометрию, электрометрию и геотермику. Гравиметрия основана на изучении строения горного массива в зависимости от изменения силы тяжести вблизи исследуемых пород, магнитометрия — на различии магнитных свойств горных пород, сейсмометрия — на измерении скорости прохождения в горных породах упругих волн, вызванных искусственными взрывами; электрометрия — метод, основанный на разности электропроводности, наблюдаемой у различных горных пород, и геотермика — на изучении распределения температуры на различных глубинах. Обычно эти методы применяют при глубоком заложении тоннелей (свыше 300 м) в сочетании с подробным изучением всех открытых обнажений геологических напластований. Физико-механические свойства горных пород имеют весьма важное значение в тоннелестроении, поскольку от них зависят прочность, устойчивость и равновесие массива. К числу главнейших физических свойств пород следует отнести твердость, выветриваемость, трещиноватость, слоистость, сжимаемость, водонепроницаемость, водостойкость и др. Механические свойства пород оцениваются их крепостью, т. е. способностью оказывать сопротивление всем видам механического воздействия на них. Пределы изменения свойств (состав, плотность, структура, влажность и пр.) весьма широки. Для расчетных целей большое значение имеют такие показатели, как коэффициент поперечного сжатия, модуль нормальной упругости и коэффициент упругой деформации. Гидрогеологические условия трассы находятся в тесной связи с тектоническими нарушениями. Водообилие горных пород, связанное с трещиноватостью массива или с наличием открытых ключей и каверн, значительно осложняет строительные работы, понижая прочность и устойчивость массива, и заставляет принимать ряд соответствующих мероприятий. Иногда трещиноватость может служить причиной опускания воды на более низкие горизонты, что можно осуществить и искусственно путем глубокого бурения скважин до трещиноватых пород. Интенсивность притока грунтовых вод обычно весьма неравномерна, может доходить до 1 м3/ceк и более, и зависит, главным образом, от наличия сбросовых трещин в горных тоннелях и связи с руслом пересекаемого водотока в подводных тоннелях. При неожиданном вскрытии подземных скоплений воды могут затопиться выработки. С появлением горячих источников, обычно глубинного происхождения, температура и влажность воздуха в выработках могут несколько повыситься, что потребует применения охлаждающих установок. Приток в тоннель подземных вод зимой в суровых климатических условиях сопряжен с большими затруднениями при: строительстве и эксплуатации из-за замерзания воды в трещинах и образования наледей. Кроме механического воздействия на горные породы (вымывание и выщелачивание), вода разрушающе влияет на породы, а также на бетон и металл вследствие ее химической агрессивности. Подземные воды особенно неблагоприятны по химическому составу, если они содержат агрессивную углекислоту, сернокислые соли, органические кислоты, сульфат магния, хлористый магний и сероводород. Подземные воды агрессивны при жесткости менее 2 мг-экв, а также с водородным показателем рН<7. Степень вредного влияния агрессивных вод возрастает с увеличением скорости потока грунтовых вод. Большие затруднения при постройке могут оказать также подземные природные газы. Наиболее опасные из них следующие. Метан, не ядовитый газ, не имеющий запаха, вкуса и цвета. Он опасен вследствие образования с воздухом гремучих смесей при концентрации от 5,5 до 16% (наиболее опасна концентрация 9,5%). Источники появления метана — битуминозные, нефтеносные и угленосные прослойки, вскрываемые выработками. Для борьбы с метаном применяют мощную вентиляцию. Углекислый газ не имеет цвета и запаха, растворим в воде. Вследствие большого удельного веса образует газовые скопления в пониженных местах выработок. Ощущается присутствие при содержании более 1% по объему, поэтому допускается его содержание в воздухе не более 0,5%. Способ борьбы с ним — усиленная вентиляция. Сероводород не имеет цвета, но обладает горьким вкусом и резким специфическим запахом. Очень ядовит. При содержании в воздухе около 6% он взрывается. Кроме этого, сероводород разъедает известковый раствор и кирпич. Азот — инертный газ с малым удельным весом, вследствие чего образует скопления в повышенных частях выработок и может создать бескислородный воздух. Его поступление возможно через изверженные породы более молодых формаций. При проведении инженерно-геологических изысканий необходимо обращать внимание на определение возможной температуры при производстве строительных работ и дальнейшей эксплуатации тоннеля. До некоторой глубины колебания температуры в породе зависят от ее изменений на поверхности земли. Эта граница носит название слоя постоянной температуры. С дальнейшим увеличением глубины температура повышается по определенной закономерности. Измерителем нарастания температуры служит геотермическая ступень, или глубина в метрах, соответствующая увеличению температуры на 1°C. Глубина слоя (10—30 м), имеющего постоянную температуру и интенсивность изменения ее, зависит от влажности, теплопроводности и петрографического состава горных пород, географической широты данного района, рельефа местности, наличия открытых водоемов, количества и температуры подземных вод и пр. Геотермическая ступень под равнинами имеет среднее значение 30—35 м, но в связи с указанными выше факторами ее величина может иметь более широкие колебания вследствие охлаждения или, наоборот, нагревания горного массива. Рельеф местности оказывает значительное влияние на величину геотермической ступени. В гористой местности ее величина на 30—33% выше (в среднем 45 м), чем при слабо пересеченной поверхности. Наличие вечного снега и ледников увеличивает, а находящиеся вблизи открытые водоемы (моря, озера) обычно уменьшают геотермическую ступень. Влияние подземных вод и их температуры может быть как понижающим, так и повышающим эту величину. Таким образом, определение расчетной величины геотермической ступени сопряжено с необходимостью учета целого ряда факторов и введения поправок на все характерные местные особенности. Ожидаемую температуру tm на проектной глубине можно ориентировочно определить по формуле  |
