Главная Минимаркер Мосты и тоннели Минимаркер Проектирование тоннелей Минимаркер Использование материалов изысканий при проектировании

Использование материалов изысканий при проектировании

Страница 2 из 2

Многообразие природных условий ставит перед геологами в каждом конкретном случае новые задачи, связанные с определением разносторонних геологических факторов, влияющих на поведение подземного сооружения и окружающих его горных пород.

В связи с этим может указать на отдельные характерные геологические признаки и явления, способствующие ориентировке проектировщика в многообразном комплексе материалов геологических изысканий.

На прочность и устойчивость подземного сооружения оказывает непосредственное влияние стратиграфия, т. е. порядок напластования горных пород и формы их залегания. Большую роль при проектировании тоннеля играет учет расположения свиты пластов в пространстве и выбор угла их пересечения с осью тоннеля.

Величина зон или площадок Fп нарушаемых выработкой, находится в зависимости от мощности пласта h, угла его падения α и угла подхода трассы β образуемого осью выработки с линией простирания (рис. 2.5). При угле падения α = 90° зоны Fп возрастают с уменьшением угла β и достигают максимального значения при β = 0. Минимальное значение Fп соответствует углу β = 90°.

При α < 90° площадки Fп возрастают с уменьшением не только угла β, но и угла падения α.

Особенно неблагоприятным для тоннеля будет случай расположения трассы по линии простирания горизонтально залегающей свиты пластов слабых пород, т. е. при α = 0 и β = 0.

Схема подсечения пласта выработкой

Рис. 2.5 – Схема подсечения пласта выработкой: 1 – свита пластов; 2 – горная выработка

В связи с увеличением зон нарушения возрастает количество участков с повышенным горным давлением, а устойчивость каждого подсекаемого пласта соответственно снижается.

Наиболее благоприятное расположение трассы тоннеля будет при β = 90°, т. е. когда трасса пойдет вкрест простирания свиты пластов. В случае пересечения тоннелем свиты пластов крепких и устойчивых пород высокие прочностные свойства последних могут компенсировать неблагоприятное расположение трассы. В этих условиях возможна разработка породы сразу на полное сечение, а монолитная обделка может быть заменена облицовочным слоем.

При отсутствии сцепления между пластами (включение глинистых прослоек) направление преобладающего давления совпадает с напластованием пород (рис. 2.6).

Одностороннее давление при наклонно залегающих пластах

Рис. 2.6 – Одностороннее давление при наклонно залегающих пластах

Особая осторожность должна быть проявлена при трассировании тоннеля вдоль склонов гор, подверженных оползням. Даже незначительная по мощности прослойка или линза грунтов со слабым сцеплением, вклинившаяся в косогорный скальный массив, может вызвать оползание отдельных его блоков с одновременным разрушением сооружения (рис. 2.7).

Расположение тоннеля на контакте рыхлых и скальных пород, угрожающее оползанием массива и разрушением обделки

Рис. 2.7 – Расположение тоннеля на контакте рыхлых и скальных пород, угрожающее оползанием массива и разрушением обделки

Проведение выработки в рыхлых породах связано с наиболее интенсивным горным давлением. Инженерно-геологические условия особенно осложняются при перенасыщении пород водой (илы, пльшуны, водонасыщенные пески).

При совпадении оси тоннеля с осью прямой не нарушенной антиклинальной складки давление на обделку будет минимальным благодаря перекрытию подземной выработки естественным породным сводом, воспринимающим давление вышележащих слоев.

Расположение тоннеля 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 тоннель, проложенный по оси синклинали, либо веерообразной складки с воздушным седлом, где величины вертикального и горизонтального давления могут достигнуть больших значений, особенно при водообильности подсекаемых пластов, и вызвать необходимость устройства сверхмощной и дорогой обделки. Несмотря на то что Н1 > Н2 > Н3, величина горного давления будет обратной глубине заложения, т. е. q1 < q2 < q3 (рис. 2.8).

Зависимость конструкции обделки от инженерно-геологических условий

Рис. 2.8 – Зависимость конструкции обделки от инженерно-геологических условий

Тектонические нарушения, выраженные зонами разлома, оказывают влияние на конструкцию обделки, методы работ и после построечную устойчивость массива и тоннеля. Проходка зон тектонического разлома сопряжена с возможными обвалами больших масс грунта и прорывов напорной воды, нередко вызывающих аварии и разрушения.

Наличие сбросов и сдвигов, совпадающих с простиранием пластов и осью тоннеля, связано с высоким горным давлением и притоком глубинных иногда термальных вод, что может потребовать переноса трассы в более надежную часть массива.

Сдвиги и сбросы часто располагаются группами, причем порода в промежутках между их плоскостями оказывается сильно перемятой и раздробленной.

Наиболее опасным является сбросовый ров (грабен) – осевший участок земной коры между смежными, оставшимися на месте (рис. 2.9, а).

В ненарушенном крыле ступенчатого сброса горное давление будет умеренным, но возможны выходы природных газов и значительный приток глубинных вод. Опущенное крыло характерно чрезвычайно высоким давлением и притоком поверхностных вод.

Выступ, ограниченный сбросами (горст) (рис. 2.9, б), отличается небольшим давлением, а многоступенчатый сброс (рис. 2 .9, в) – давлением значительной интенсивности.

Сбросовый рельеф

Рис. 2.9 – Сбросовый рельеф: а – сбросовый ров-грабен; б – горст; в – многоступенчатый сброс; стрелками указано направление действия тектонических сил

Таким образом, опущенные участки сбросов наиболее неблагоприятны для производства тоннельных работ. Однако практикой работ зафиксированы исключения из этого правила, когда наличие сбросов и сдвигов не сопровождалось увеличением горного давления и притоками воды (Сен-Готардский тоннель, Хинганский тоннель и др.).

Нередко в земной коре появляются неуравновешенные остаточные напряжения, вызванные предшествующей историей тектоники данного горного района. Проходка подземной выработки в таком массиве влечет за собой перераспределение сил давления и в значительной степени влияет на устойчивость отдельных его участков.

Наибольшую опасность представляют горные удары, происходящие обычно на большой глубине (свыше 200 м) и преимущественно в породах высокой прочности. Горные удары – явление наименее изученное. Они объясняются мгновенным переходом потенциальной энергии упругих деформаций в кинетическую. Проявляются горные удары катастрофичес1шм выбросом большого объема породы, сопровождаемым сильным гулом, сотрясением горного массива и воздушным ударом.

Неблагоприятным фактором при постройке тоннелей является так называемая вторичная сланцеватость, при которой породам свойственна повышенная разрушаемость, сопровождаемая увеличением горного давления и частыми вывалами. Породы, обладающие вторичной сланцеватостью, обычно бывают нарушены системой трещин, которые затрудняют производство буровзрывных работ.

Наиболее сложен случай расположения тоннеля в условиях бессистемного сочетания разнообразных форм залегания пород с различными физико-механическими свойствами и углами падения и простирания пластов. При этом обделка на различных участках трассы будет испытывать резкое изменение горного давления не только по величине, но и по направлению действия сил. Наличие статического горизонта подземных вод влечет за собой возможность появления гидростатического давления, величина которого должна определяться с учетом возможного снижения уровня воды, вызванного проведением подземной выработки, являющейся искусственным дренажем.

Таким образом, инженерно-геологические условия предопределяют конструкцию тоннельной обделки, порталов, дренажных и укрепительных мероприятий, а также методы производства работ на каждом характерном участке тоннеля (рис. 2.10).

Условный проект тоннеля в тяжелых инженерно-геологических условиях

Рис. 2.10 – Условный проект тоннеля в тяжелых инженерно-геологических условиях: а – геологический разрез; б – эпюра интенсивности горного давления; в – типы обделок; г – способы работ; 1 – конгломерат; 2 – известняк; 3 – граниты; 4 – сброс; 5 – глинистые сланцы; 6 – песчаники разрушенные; 7 – песчаники крепкие

Не менее важными исходными данными при проектировании тоннелей являются физико-механические свойства скальных пород. К ним относятся прочность, твердость, абразивность, крепость, трещиноватость, размягчаемость, растворимость, выветриваемость, слоистость и пр.

Прочность пород при одноосном сжатии (таблица 2.2) определяется по следующей формуле:

03062014_f1

где Rmax – значение максимальной разрушающей силы в кГ;

F0 – начальная площадь поперечного сечения образца в см2.

Испытываемые образцы должны быть цилиндрической формы с высотой и диаметром, равным 42 мм.

Таблица 2.2 – Средние значения физико-механических свойств основных типов скальных пород (по Беликову, Николаеву и др.)

03062014_t1

Твердостью называется сопротивление горной породы проникновение в нее инструмента. Она определяется по шкале твердости (таблица 2.3) и выражается в процентах по отношению к твердости корунда, принятой за 100%. Твердость пород можно также определить непосредственно при помощи особого прибора, именуемого склерометром.

Таблица 2.3 – Шкала твердости горных пород

03062014_t2

Абразивность представляет собой способность горных пород изнашивать при трении контактирующие материалы. В зависимости от степени абразивности твердые горные породы разделяются на восемь классов (таблица 2.4).

Таблица 2.4 – Шкала абризивности горных пород

03062014_t3

Оба эти свойства (твердость и абразивность) оказывают существенное влияние на скорость бурения шпуров в забое, а также на стоимость буровзрывных работ.

Крепость породы характеризуется коэффициентом f по шкале проф. М. М. Протодьяконова. Этот коэффициент дает ориентировочное представление о степени сопротивляемости пород разрушению. Величина его для скальных пород может быть определена по формуле

03062014_f2

Трещиноватость наряду с выветрелостью является основным показателем физического состояния скальных пород. Степень и характер трещиноватости пород в массиве определяют следующие его свойства: деформируемость и устойчивость, водопроницаемость, фильтрационную и механическую анизотропность, разрабатываемость, блочность, и, наконец, величину горного давления.

Трещины могут быть различного происхождения: первичные, трещины выветривания, напластования, тектонические, искусственные (при взрывах, ударах) и др.

Степень трещиноватости или раздробленности горной породы определяется частотой трещин, их размерами по трем направлениям, характером, ориентировкой в пространстве, составом заполнителя и его свойствами.

В настоящее время существует значительное количество классификации горных пород по трещиноватости, которые с большей или меньшей степенью приближения могут дать представление об истинном состоянии массива. Одна из таких классификаций приведена в таблице 2.5.

Таблица 2.5 – Инженерно-геологическая классификация трещиноватости горных пород по Л. И. Нейштадт

03062014_t4

В этой классификации оценка трещиноватости пород производится посредством коэффициента трещинной пустотности kmp.n, представляющего собой отношение площади трещин к площади породы, выраженное в процентах.

Методы оценки трещиноватости пород разделяются на геологические, геометрические, экспериментальные, физические и комплексные.

Наибольшей обстоятельностью и законченностью разработки отличается комплексный метод оценки трещиноватости, разработанный в Институте горного дела им. А. А. Скочинского под руководством проф. Протодьяконова М. М. (младшего).

Сущность метода заключается в лабораторном исследовании прочности различных образцов горных пород с последующим переходом к прочности горного массива посредством кругов Мора, кривых масштабного эффекта и кривой распределения.

При тщательности выполнения работ комплексный метод позволяет получить достаточно точные для нужд практики результаты.

Величина ожидаемого горного давления устанавливается на основании инженерно-геологических данных об общем состоянии горного массива. В настоящее время существует несколько способов его определения, отличающихся различной степенью достоверности.

Наиболее известными из них являются: аналитические методы, лабораторные испытания и натурные исследования.

Наибольшим распространением в нашей стране пользуется аналитическая формула проф. М. М. Протодьягюнова, в основу которой положены коэффициенты крепости пород (см. приложение).

Следует иметь в виду, что приведенные в приложении данные относятся к породам в плотном ненарушенном состоянии. Те же породы, но выветрелые, дислоцированные, разбитые трещинами должны быть отнесены к более низким категориям.

Ввиду обычно сложной инженерно-геологической обстановки объекта назначение табличного коэффициента крепости породы нередко носит субъективный характер и не отвечает условиям необходимой точности.

Лабораторные испытания, проводимые с горными породами на моделях, позволяют в ряде случаев контролировать и вносить коррективы в результаты, полученные умозрительным путем. Из лабораторных испытаний получили распространение метод центробежного моделирования, метод эквивалентных материалов, оптический метод и др.

Натурные исследования заключаются в непосредственном измерении горного давления в подземных выработках. При этом можно получить достаточно близкую к действительности его величину, отражающую влияние всей совокупности как геологических, так и производственных условий.

В 1965 г. кафедрой «Мосты и тоннели» НИИЖТа было произведено инженерно-геологическое обследование одного из строящихся тоннелей в южном районе страны с целью уточнения коэффициентов крепости породы.

Тоннель залегал в известняках (f = 10 и f = 15) и каранкулитах (f = 7).

Исходные коэффициенты крепости, указанные в скобках, для каждого тоннельного участка, предварительно назначались по таблице проф. М. М. Протодьяконова в соответствии с данными геологических изысканий.

Затем с целью контроля были выполнены дополнительные исследования, а именно: испытание образцов пород на одноосное сжатие и натурные измерения напряжений в верхняках штольневой крепи тензометром системы Д. Д. Головачева.

В результате были получены новые коэффициенты крепости пород f1 и f2. Первый из них (f1), характеризующий сопротивление пород разрушению, предназначался для определения объема и трудоемкости буровзрывных работ. Второй (f2), объективно отражающий неоднородность пород, условия их залегания, трещиноватость, обводненность и пр., служил для определения величины горного давления на тоннельную обделку (таблица 2.6).

Таблица 2.6 – Геологические характеристики горных пород на участках проектируемого тоннеля

03062014_t5

Размягчаемость породы характеризуется отношением предела прочности на сжатие образца, насыщенного водой к прочности воздушно-сухого. Соответственно снижению или неизменяемости прочностных характеристик водонасыщенной породы указанное отношение меньше или равно единице.

Размягчаемость горной породы зависит от ее пористости, прочности цементирующего вещества и минералогического состава. Особенно сильному размягчению подвержены глинистые породы (мергель, мергелистые известняки, глинистые сланцы и песчаники с глинистым цементом). Кристаллические породы отличаются устойчивостью против размягчаемости и для них отношение в редких случаях бывает меньше 0,9. Размягчаемость является признаком низкой сопротивляемости выветриванию и малой морозостойкости.

Растворимость и гидростойкость характеризуют степень податливости скальных пород растворению в воде. Растворимость оказывает непосредственное влияние на устойчивость как самого массива, так и тоннеля, расположенного в его пределах. В гидронестойких породах возможно образование каверн и пустот по трассе тоннеля, следствием которых явится разрушение обделки и провалы отдельных ее звеньев.

От степени выветриваемости пород зависит решение вопроса о возможности замены рабочей обделки облицовочным слоем незначительной толщины.

Слоистость пород выражается в залегании их отдельными пластами небольшой мощности. Она понижает устойчивость горного массива, особенно при наличии на контактах пород прослоек из гидронестойкого материала.

Массив, сложенный скальными породами, не представляет собой единого монолита. Он разбит системами природных трещин на отдельные блоки, различные по объему и геометрическим размерам. Пока породный массив не нарушен подземной выработкой, слагающие его составные части находятся в равновесии. После проходки выработки в зоне ее влияния происходит перераспределение напряжений, часто вызывающее перемещения в окружающих породах, расслоение их и выпадение отдельных глыб. Поэтому кубиковая прочность породы, полученная в лаборатории, далеко не характеризует общую прочность горного массива. Его прочность и устойчивость характеризуются совокупностью инженерно-геологических признаков (морфологических, стратиграфических, тектонических и др.), в число которых входят и физико-механические свойства пород.

Тоннельная выработка является искусственным дренажем. Количество воды, поступающей в ее пределы, зависит от площади поперечного сечения выработки, коэффициента фильтрации пород и мощности источника обводнения.

Интенсивный приток воды требует усиленного водоотлива с устройством водоотводных лотков, водоприемных колодцев и применением насосов на участках с подъемом к порталу. Это осложняет производство работ и снижает темпы постройки тоннеля.

Увеличение скорости подземного потока в связи с наличием дренажа является причиной вымывания, выщелачивания и насыщения пород водой, что способствует возрастанию горного давления и ухудшению условий безопасности работ.

Для строительства подземных сооружений наибольшее значение имеют подземные воды регионального и локального распространения, залегающие в изверженных и осадочных породах. К ним относятся грунтовые воды зон открытой трещиноватости, воды водоносных серий и свит, напорные воды погребенных зон открытой трещиноватости, воды зон тектонических разломов и др.

Наиболее опасными при производстве тоннельных работ являются трещина-жильные воды в зонах тектонических нарушений. Этот вид подземных вод образует вытянутые водоносные полости, к которым приурочены мощные подземные потоки. Они в большинстве случаев являются одним из основных источников обводнения подземных выработок и причиной внезапных прорывов.

Не меньшую опасность представляют трещинно-карстовые и карстовые воды. Последние в больших количествах скапливаются в пустотах замкнутого типа. Движение карстовых вод из одной полости в другую осуществляется по гидравлически связанной между собой системе трещин.

При строительстве тоннелей особенно опасны и разрушительны прорывы в выработку подземных вод и плывуна. Известен случай затопления тоннеля при подсечении водоносного пласта, необнаруженного в процессе изысканий (рис. 2.11), когда уровень воды в водоеме понизился на 5 м, или случай, вызвавший аварию из-за неточного определения уровня водонасыщенных отложений (рис. 2.12).

Подсеченне водоносного пласта, необнаруженного в процессе изысканий

Рис. 2.11 – Подсеченне водоносного пласта, необнаруженного в процессе изысканий: 1 – горное озеро; 2 – песчаная прослойка; 3 – coopyжаемый тоннель

Подсечение выработкой рыхлых водонасыщенных отложений

Рис. 2.12 – Подсечение выработкой рыхлых водонасыщенных отложений: 1 – сооружаемый тоннель; 2 – водопроницаемые породы; 3 – горная река 2 класса; h1 – глубина отложений по прогнозу экспертизы; h2 – действительная глубины рыхлой тощи (случай из зарубежной практики)

Кроме механического воздействия (размывы, переувлажнение, вынос мельчайших частиц и пр.), подземные воды вызывают химическое растворение гидронестойких пород с изменением их структуры и состояния (таблица 2.7). Выщелачивание таких горных пород связано с образованием карстовых пустот (каналов, пещер, галерей) и часто сопровождается провалами, оседанием кровли и большим скоплением воды.

К гидронестойким или растворимым породам относятся гипсы, ангидриты, доломиты, известняки, каменная соль и др. (таблица 2.7).

Таблица 2.7 – Геотехническая классификация горных пород

03062014_t6

Степень растворимости указанных пород зависит от химического состава подземных вод. Так, например, воды, содержащие свободную углекислоту в пределах от 40 до 150 мг/л, оказывают разрушающее воздействие на известняки и доломиты, но совершенно не влияют на растворимость гипсов и ангидритов. Соли соляной кислоты в сильной степени повышают растворимость гипса.

В закарстованных породах возможно внезапное разрушение обделки тоннеля и провалы отдельных ее звеньев (рис. 2.13).

Опасное расположение тоннеля в зоне карста

Рис. 2.13 – Опасное расположение тоннеля в зоне карста: 1 – обделка тоннеля; 2 – карстовая полость, заполненная водой

Интенсивное обводнение рыхлых и, в частности, глинистых пород вызывает горное давление катастрофических размеров. Происходит разжижение пород в кровле, особенно при заложении тоннеля на небольшой глубине. В сухое время года под влиянием проходки глина высыхает и становится сильнотрещиноватой. В период осенних дождей трещины заполняются водой, грунт разжижается и становится склонным к оплыванию.

Во время постройки Стемплонского тоннеля длиной 500 м на железнодорожной линии Бристоль-Глочестер (Англия) горное давление было незначительным. Тоннелем прорезались углистые мергели каменноугольной формации, мощность покрова которых была не более 12 м.

Вследствие затяжных ливней давление стало интенсивно возрастать, на поверхности образовалась мульда и часть тоннеля обрушилась. По тем же причинам произошло разрушение Альтербергского тоннеля.

Другим характерным свойством некоторых глин является пучение. Увлажнение их сопровождается увеличением объема и развитием давления на обделку не только сверху вниз, но и снизу вверх.

Пересечение тоннелем пласта пучинящих глин сопряжено с необратимыми деформациями обделки вплоть до ее полного разрушения.

На этих участках обделка проектируется расчлененной осадочными швами на отдельные звенья (рис. 2.14).

Расположение тоннеля в пучинистой глине

Рис. 2.14 – Расположение тоннеля в пучинистой глине: 1 и 2 – сечение возможных разрывов конструкции; 3 – эпюра интенсивности давления

Подземные воды оказывают влияние и на условия эксплуатации тоннеля. Минерализованная вода постепенно разрушает бетонную кладку обделки тоннеля. Практикой зафиксированы случаи полного разрушения обделки грунтовой водой в течение полутора-двух лет после постройки, особенно при расположении тоннелей в породах, содержащих гипсы и ангидриты, и при обделке из бетона на портландцементе.

Оценка качества воды по отношению к бетону производится по нормам и техническим условиям.

В суровых климатических условиях подземная вода в зимний период времени является причиной образования наледей в балластном слое, на верхнем строении пути и на поверхности обделки.

Постройка тоннелей на больших глубинах связана с высокими температурами внутри горного массива. Высокая температура и повышенная влажность неблагоприятно сказываются на физическом состоянии и производительности труда рабочих и требуют специальных мероприятий по охлаждению выработки (усиленная вентиляция, оросительные и холодильные установки и пр.).

Кроме того, значительная разница между высокой температурой пород и температурой воздуха в тоннеле, особенно в суровых климатических условиях, ухудшает работу обделки, вызывая в ее сечениях дополнительные напряжения. Поэтому температурный прогноз по трассе будущего тоннеля имеет большое значение, как для производства работ, так и для эксплуатации тоннеля.

При подземных работах часто встречаются природные газы, выделяющиеся из недр земли: углекислый газ, рудничный газ или метан сероводород, азот и др.

Подземные выработки, в которых обнаружен метан и другие вредные газы должны переводиться на газовый режим в соответствии с «Правилами безопасности в угольных и сланцевых шахтах». Кроме этого, в подобных выработках должна осуществляться интенсивная искусственная вентиляция.


© 2013 - 2017 Учебно-образовательный портал "Все лекции"
Материалы, представленные на страницах нашего сайта, созданы авторами сайта, присланы пользователями, взяты из открытых источников и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Все авторские права на материалы принадлежат их законным авторам.
Разработка сайта - Скобелев Алексей





Яндекс.Метрика