Методика инженерно—геологических исследований при строительстве туннелей

11-12-2013: UEFIMA.RU:  Большинство подземных сооружений требуют инженерно-геологических исследований на всех стадиях проектирования и строительства. Особенное значение их всестороннее и тщательное проведение имеет при строительстве туннелей, как сложных в строительстве и эксплуатации, дорогостоящих, часто уникальных сооружений. По своему назначению большая часть туннелей относится к транспортным (метрополитена, железнодорожные, автомобильные) и гидротехническим (акведуки, отводные для регулирования речного стока при строительстве плотин, водосбросные, ирригационно-водоснабженческие, дренажные, гидроэлектростанций), а также коммунальным.

Туннели в городах, такие как коммунальные, метрополитена или другие транспортные, проектируются на относительно небольших глубинах, как в скальных, так и в дисперсных породах. Необходимость и экономическая оправданность проектирования гораздо более дорогостоящих крупных, многокилометровых транспортных тоннелей чаще всего возникает при необходимости преодоления значительных естественных преград - горных хребтов (тоннели БАМ), а также крупных рек (Гудзон) и морских проливов (Ла-Манш). Крупные гидротехнические тоннели (Крымская Яйла), в том числе акведуки (США, шт. Нью-Йорк, Массачусетс) часто строятся в условиях складчатых областей.

Тоннели гидроэлектростанций (Грузия, Ингури ГЭС) строятся обычно при наличии достаточных перепадов высот между водохранилищами, т.е. также в областях с сильно расчлененным рельефом. Именно эти области обычно характеризуются сложным геологическим строением, в том числе наличием тектонических нарушений, повышенной новейшей тектонической активностью и сейсмичностью. Соответственно, и инженерно-геологические исследования здесь будут наиболее сложными.
Инженерно-геологические явления при строительстве туннелей
Сложность инженерно-геологических условий при строительстве туннелей проявляется в виде разнообразных инженерно-геологических процессов и явлений, недостаточное и неполное изучение которых может привести к возникновению значительных трудностей при строительстве, как, например, произошло с Северомуйским тоннелем на БАМ.

По Г.С.Золотареву (Золотарев, 1974), виды, интенсивность развития, масштабы и другие особенности инженерно-геологических явлений, помимо конструктивно-строительных параметров подземного сооружения, определяется главным образом факторами геологической среды, как то:
комплексами пород, их трещиноватостью, выветрелостью, закарстованностью и механическими свойствами; тектоническими (складчатыми, разрывными) нарушениями и их современными подвижками; подземными водами (распределение, величины напоров, дебит, агрессивность);
геоморфологическими условиями и развитием геологических процессов.

Основные инженерно-геологические явления при строительстве туннелей могут быть классифицированы по следующим главенствующим факторам (Золотарев, 1974):
1. Изменение естественного напряженного состояния вызывает нарастание горного давления, вывалы, выпор, отскоки, отслаивание пород (нередко с последующим обрушением).
2. Изменение режима подземных вод в результате водопонижения может привести к возникновению повышенным водопритокам, прорывам вод и плывунов, увеличению интенсивности суффозии и выщелачивания вследствие увеличения гидродинамического давления.
3. Изменение термического режима пород вызывает:
a. перепад температуры (на 15-20 #186;С) ведет к появлению дополнительной трещиноватости
b. оттаивание мерзлых пород
4. Сдвижение пород и образование мульд проседания в результате перераспределения напряжений, водопонижения и изменения гидродинамического давления.
5. Притоки вредных для здоровья и взрывоопасных газов.
6. Деформации массивов и подземных сооружений вследствие современных подвижек по разломам.
Таким образом, мы видим, что практически все эти явления прямо или косвенно контролируются тектоническими структурами и трещиноватостью. Следовательно, они должны находиться в круге пристального инженерно-геологического изучения.

Трещиноватость горных пород

Причины трещиноватости: трещиноватость в той или иной степени присутствует практически в любых массивах горных пород и может иметь различную природу. Основные естественные причины ее возникновения следующие:
1. Тектоническая. Возникает под действием разрывных и складчатых деформаций.
2. Естественная гравитационная. Возникает под действием веса вышележащих толщ, особенно в случае залегания прочных пород на более слабых по механическим свойствам (например, залегание в Крыму известняков на алевролитах и песчаниках).
3. Литогенетическая. Формируется при образовании породы.
4. Эндогенная. Возникает при выветривании пород, что происходит лишь в приповерхностных частях массива (но не исключена и в погребенном состоянии).
Кроме того, в ходе строительства возможно дополнительное развитие трещиноватости в силу следующих обстоятельств:
5. Разгрузка естественных напряжений (как суммы гравитационных и тектонических) при строительстве.
6. При изменении температурного поля в ходе строительства (отмечено при проходке туннеля Монблан).

Влияние трещиноватости пород на инженерно-геологические условия

Прежде всего существует взаимосвязь, часто с весьма высокими коэффициентами корреляции, между интенсивностью трещиноватости и прочностными свойствами пород. Трещиноватость пород может являться как прямой, так и косвенной причиной различных инженерно-геологических явлений. Непосредственно в результате ее наличия происходит отчленение блоков по трещинам и возникновение вывалов, выпоров, отскоков, отслаивания. Эти явления требуют дополнительных технических мер для укрепления стенок туннеля при его строительстве и эксплуатации.
Кроме того, зоны повышенной трещиноватости обычно характеризуются повышенными водопритоками, значительно осложняющими проходческие работы. В особенной степени это проявляется в карстовых областях, где подземные полости могут перехватывать значительную долю поверхностного стока. В таких зонах наиболее вероятны прорывы вод, развитие процессов суффозии и выщелачивания (Комплексные изыскания…, 1971).

Тектонические структуры

В результате движений земной коры и воздействия возникающих при этом напряжений в массивах пород формируются тектонические нарушения, подразделяющиеся на складчатые и разрывные (надвиги, сбросы, взбросы, сдвиги), или разломы.

Разломная тектоника оказывает значительное и разностороннее влияние на инженерно-геологические условия. Породы в зонах разломов обычно сильно трещиноваты, перетерты, следовательно, имеют пониженные прочностные характеристики. Тектоническими причинами в значительной мере охарактеризованная выше трещиноватость. Разломы часто являются долгоживущими, поэтому с ними могут быть связаны новейшие тектонические подвижки, неблагоприятно воздействующие на подземные сооружения. Глубокие врезы палеодолин также нередко контролируются разломами, что требует дополнительных исследований (Санборн, 1960). Кроме того, разломная тектоника влияет на гидрогеологические условия: так, в верхнеюрских известняках Горного Крыма основная масса подземных вод локализована в зонах интенсивной трещиноватости опущенных крыльев сбросов: удельные водопритоки здесь в 10-20 раз больше, хотя количество обводненных трещин в среднем втрое больше, чем в лежачих крыльях (Комплексные исследования…, 1971).

Методика инженерно-геологических исследований при строительстве туннелей

Туннели можно разделить на три типа: короткие - до 1 км, средние - 1-5 км и длинные-более 5 км. При большой длине туннели обычно проходятся из нескольких забоев, к которым прокладываются подходные штреки или шахты, поэтому при съемке следует освещать инженерно-геологические условия строительства и этих вспомогательных сооружений, которые также имеют большое значение для выбора варианта трассы.

Инженерно-геологическая съемка, помимо разведочных работ, должна сопровождаться геофизическими исследованиями, с помо­щью которых может быть уточнен геологический разрез на всю глу­бину и выявлены неблагоприятные для строительства подземных сооружений явления (карст, мощные зоны тектонических наруше­ний и другие ослабленные зоны и пр.).

При определении количества разведочных выработок, их глуби­ны и расстоянии между ними следует учитывать сложность геологи­ческого строения, глубину заложения подземных сооружений и до­ступность местности.

В районах с несложным геологическим строением при наличии достаточного числа обнажении разрез по трассам туннеля может быть составлен по небольшому количеству разведочных выработок, доведенных до сохранных коренных пород. Эти выработки следует размещать на наиболее характерных и сложных по своим инженер­но-геологическим условиям участках. В среднем на 1 км трассы в зависимости от особенностей геологического строения могут быть пройдены одна-две выработки.

В районах со сложным геологическим строением и плохой обна­женностью закладываются отдельные более глубокие скважины, часть из которых может быть доведена до отметок заложения туннеля. Выработки закладываются главным образом на припортальных участках, в мес­тах пересечения трассой по­нижений рельефа, на участ­ках развития крупных тек­тонических нарушении, слоев слабых пород, карста и дру­гих неблагоприятных явле­ний.

Поверхность луны растягивается

Разведка портальных участков проводится с целью установления мощности рыхлых или ослабленных выветриванием поверхностных отложений и выявления их ус­тойчивости на склоне. Если порталы туннеля намечаются в местах выхода на поверхность прочных устойчивых скальных пород, то разведочные ра­боты могут не проводиться.

По вариантам трассы туннеля, проходящим в сложных геологи­ческих условиях и при плохой обнаженности местности, на каждые 1-2 км должна быть пройдена одна скважина или горная выработ­ка. Глубокие скважины по трассе туннеля следует задавать только р случае необходимости уточнения температурного режима или гид­рогеологических условий.

Схема построения геологосъемочных и разведочных работ существенно зависит от направления туннеля по отношению к залеганию" пород и тектонических нарушений, а также по отношению к элемен­там рельефа. Здесь могут быть следующие типичные случаи:

а) туннель идет вдоль долины реки вкрест простирания пластов или основных тектонических нарушений. В этом случае при построении инженерно-геологической карты и разреза по трассе мо­гут быть использованы береговые обнажения. Разведочные выра­ботки и линии геофизической разведки располагаются вдоль трассы;
б) туннель идет вдоль долины реки по направлению простира­ния пород или основных тектонических нарушений. В этом случае большое значение могут иметь обнажения, расположенные в доли­нах притоков и в крупных оврагах, которые располагаются вкрест простирания пород. При выборе трассы в этих условиях следует обращать особое внимание на то, чтобы туннель не прошел по сла­бым пластам или не совпал бы с крупной тектонической зоной. Для этого разведочные выработки следует располагать на поперечни­ках к трассе;
в) туннель пересекает водораздельное пространство. В этом слу­чае при инженерно-геологической съемке необходимо использовать все имеющиеся эрозионные понижения местности, где могут быть встречены выходы коренных пород, а для выявления тектонических нарушений желательно проанализировать материалы аэрофото­съемки. Разведочные выработки закладываются в соответствии с имеющейся структурной схемой таким образом, чтобы был освещен весь разрез пород, залегающих вблизи намечаемой трассы.

При изысканиях на портальных участках и участках мелкого за­ложения туннеля на первом этапе с помощью инженерно-геологиче­ской съемки, разведочных и геофизических работ выявляется состав и мощность рыхлых и ослабленных выветриванием пород. Особое значение на участках неглубокого заложения туннеля имеет выяв­ление древних эрозионных понижений в кровле коренных пород, ко­торые могут затруднить проходку туннеля, а на портальных участ­ках важно дать подробную характеристику устойчивости склонов. Гидрогеологические исследования на первом этапе исследований ог­раничиваются небольшим объемом опытно-фильтрационных работ на участках с неглубоким залеганием туннелей, а в остальных случаях выполняются лишь тогда, когда вопросы определения притока воды в выемки являются решающими для выбора трассы. Гидрогео­логические наблюдения для трасс туннелей мелкого и среднего за­ложения выполняются по всем выработкам, а для глубоких - лишь по отдельным скважинам.

На втором этапе изысканий, после выбора трассы туннеля и оп­ределения мест расположения других подземных сооружений гидро­узла, производится уточнение инженерно-геологических условий их проходки.

В случае необходимости детализации геологического строения по всей трассе выбранного варианта туннеля выполняется инженер­но-геологическая съемка масштаба 1:50000-1:5000 (масштаб съемки определяется сложностью природных условий и глубиной заложения туннеля, см. таблицу).
На участках порталов туннелей, в местах размещения подзем­ных напорно-станционных узлов, на отрезках мелкого заложения 1уинеля должны быть выполнены крупномасштабные инженерно-геологические съемки (масштаба 1:5000-1:1000). В результате этих съемок уточняются мощность рыхлых покровных отложений и зоны выветривания, состав коренных пород, степень их трещиноватости, устойчивость склонов и пр. При необходимости съемка долж­на сопровождаться геофизическими исследованиями.

Разведочные работы, выполняемые после выбора варианта трас­сы, имеют цель детализировать инженерно-геологические условия участков порталов, подходных штреков и шахт, дать обоснование для составления более достоверных геологических разрезов по трас­сам и участкам подземных сооружений, а также обеспечить выпол­нение необходимых гидрогеологических исследований и изучение физико-механических свойств пород. По выбранным трассам тунне­ля и подходных выработок проходятся дополнительные скважины и штольни, с помощью которых уточняются инженерно-геологические условия и производится разбивка трассы на характерные участки. Применительно к этим участкам выбираются способ проходки, тип временного крепления и облицовки туннелей, определяется способ дренирования на период эксплуатации туннеля. Буровые скважины проходятся до. отметок заложения туннеля в том случае, если глу­бина его заложения не превышает 200 м. При большей глубине за­ложения туннеля отдельные скважины проходятся до отметок его заложения только в том случае, если есть основания предполагать, что при проходке туннеля будут встречены какие-либо неблагопри­ятные обстоятельства: вредные газы, термальные воды, высокие температуры. Для этих скважин следует выбирать такие участки, где эти явления могут быть изучены на минимальной глубине. Об­щее число глубоких скважин по трассе туннеля должно быть огра­ниченным и составлять не более одной скважины на 3-5 км трассы. На участках неглубокого расположения туннеля; где больше вероятность встречи осложнений инженерно-геологических условий, скважины могут проходиться с меньшими интервалами и располагаться местами через 200-300 м.

На участках размещения подземных машинных залов и другие: крупных подземных сооружений должны быть пройдены буровые скважины с интервалом 50-100 м до отметок, лежащих на 10- 15 м. ниже заложения фундаментов турбин и других строительных конструкций. Поскольку подземные машинные залы обычно имеют большие пролеты, превышающие 20 м, устойчивость свода их имеет очень большое значение. Поэтому желательно в своде выломки пройти штольню, в которой необходимо подробно изучить трещнноватость пород и выполнить опытные работы по определению их физико-механических свойств.

Если в составе основных или вспомогательных сооружении имеются шахты, то условия их проходки должны быть освещены сква­жиной, которая проходится по оси выработки на 10-20 м ниже забоя. В случае выявления неблагоприятных обстоятельств (большая водообильность, ослабленные зоны, карст и пр.) на этом участке могут быть пройдены дополнительные скважины. При сильной обводненности пород в скважинах выполняются опытные откачки и опытно-цементационные работы.

Гидрогеологические исследования по выбранному варианту должны дать обоснование для расчета притока воды в подземные вы­работки и фильтрации из нее в период строительства и эксплуата­ции, для определения величины гидростатического давления на об­делку, а также дать сведения о химическом составе воды, ее темпе­ратуре, агрессивности по отношению к бетону и металлу. В случае необходимости в разведочных выработках выполняются опытно фильтрационные работы, а также наблюдения за режимом подземных вод в течение длительного периода времени (не менее 1,5 лет). На основании результатов опытно-фильтрационных работ и наблю­дений необходимо дать прогноз изменений гидрогеологических ус­ловий в период строительства и эксплуатации с учетом фильтрации, из водохранилища и водоподводящих сооружений. Особенно боль­шое значение такие прогнозы имеют для машинных залов и подземных трансформаторных подстанций, которые должны быть надеж но ограждены от поступления подземных вод.

По выбранному варианту трассы туннеля проводится подробно» изучение физико-механических свойств пород с выполнением необходимых опытов в полевых условиях. Эти исследования проводятся на характерных участках туннеля, которые были выделены в процессе инженерно-геологической разведки. Для гидротехнических туннелей всех классов и подземных машинных залов следует про водить натурные исследования модуля деформации и коэффициента упругого отпора. В комплексе исследований следует определять также анизотропность и ползучесть горных пород в массиве.