630

(условия залегания пластов, их мощность и ориентацию). При расположении выработки на контакте крутопадающих слоев различных по свойствам грунтов вероятно возникновение неравномерного давления на обделку, в связи с чем возможно обрушение неустойчивых грунтов в местах подрезания.

При оценке строительных характеристик грунтов большое значение имеют прочность, крепость и абразивность грунта. Прочность грунта характеризуется пределом прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии Rс, МПа. Наивысшее значение прочности грунтов достигает 500 МПа (прочные базальты, кварциты), минимальные значения составляют единицы мегапаскалей (мергели, плотные глины). Даже у грунтов одного типа, в зависимости от состава и структуры, прочность может быть весьма разной: песчаников – от 70 до 190 МПа, алевролитов – от 50 до 100 МПа, аргиллитов – от 30 до 70 МПа. В зависимости от величины предела прочности (МПа) выделяют разновидности скальных грунтов: очень прочные (Rс >120);

прочные (Rс = 120...…50); средней прочности (Rс = 50...…15);

малопрочные (Rс = 15...…5); пониженной прочности (Rс = 5...…3);

низкой прочности (Rс = 3…...1); очень низкой прочности (Rс < 1). Грунты с пределом прочности менее 5 МПа относят к полускальным. Это преимущественно засоленные грунты, теряющие прочность при воздействии воды. Прочность грунтов на растяжение значительно ниже их прочности на сжатие (в отношении от 1/5 до 1/80, для большинства твердых грунтов – от 1/10 до 1/40). Появление растягивающих напряжений на контуре выработки может стать причиной обрушения. Несвязные (рыхлые, сыпучие) грунты вовсе не воспринимают растягивающих напряжений.

Крепость грунта, выражаемая коэффициентом крепости М.М. Протодьяконова (безразмерная величина), характеризует степень устойчивости грунтовых массивов при проходке подземных выработок. Коэффициент крепости f является кажущимся коэффициентом трения, т. е. тангенсом угла внутреннего трения, определенного с учетом сцепления между частицами грунта. Он равен соотношению касательного и нормального напряжений на контакте между частицами грунта в момент предельного равновесия, т. е.

где к – действительный угол внутреннего трения грунта, с – сцепление.

11

Сцепление с характеризует предельное сопротивление грунта срезу. Величина сцепления различных грунтов меняется от сотых долей (глины, мергели, слабо сцементированные песчаники и др.) до десятков мегапаскалей (прочные песчаники, граниты, базальты). Угол внутреннего трения меняется от 15– 18° для связных и рыхлых грунтов (суглинки, слоистые глины) до 45–60° для твердых скальных грунтов. Для сыпучих грунтов, у которых сцепление с = 0, коэффициент крепости численно равен тангенсу угла внутреннего трения : f = tg . В сыпучих грунтах в стенах выработки образуются плоскости сползания, наклоненные под углом (45°– к/2) к вертикали. Вследствие этого зона нарушения окружающих выработку грунтов расширяется.

Влияние влажности на прочность грунтов оценивают коэффициентом размягчения. Известняки, песчаники и песчаные сланцы, относящиеся к гидрофобным грунтам, имеют низкие значения коэффициента размягчения (для известняков 0,55 – 0,7; песчаников – 0,66–0,75; песчаных сланцев – 0,7–0,8).

Прочность этих грунтов в воздушно-сухом состоянии в 1,2–1,6 раза выше прочности в водонасыщенном состоянии.

Абразивность скального грунта – способность истирать буровой и другой породоразрушающий инструмент. Показатель абразивности выражают относительным числом в сравнении с эталонным грунтом (гипс – 1, известняк – 6, доломиты – 12, кремнистые грунты – 20, железисто-магнезиальные – 25, полевошпатные – 30, кварцевые – 45, твердообломочные – 50). Грунты с относительным показателем абразивности 12...15 считают слабоабразивными, 16...35 – среднеабразивными, более 35

– высокоабразивными. Абразивность влияет на выбор бурового инструмента и способ бурения. Абразивность влияет на производительность разработки грунта, способствует пылеобразованию и может стать причиной профессионального заболевания – силикоза.

Трещиноватость является чрезвычайно важным показателем строительной оценки скальных грунтов. Это понятие включает следующие элементы: генезис, положение в пространстве, интенсивность и размер трещин. Господствующие системы трещин определяют ориентацию зон ослабления и анизотропию массива. В зависимости от ориентации трещин различают упорядоченную и неупорядоченную трещиноватости (в первом случае можно выделить преимущественные направления трещин, во втором – нет). Трещины бывают открытые, не заполненные вторичным грунтом, и закрытые, заполненные грунтом. В зави-

12

симости от величины раскрытия трещины подразделяют на тонкие (до 1 мм), мелкие (1…...5 мм), средние (6...…20 мм), крупные (21...…100 мм), очень крупные (свыше 100 мм). По происхождению различают естественную (природную) трещиноватость и искусственную (техногенную).

По трещиноватости грунты в соответствии с ВСН 190-78 [17]

подразделяют на пять категорий в зависимости от числа трещин на 1 м: нетрещиноватые (до 0,5), слаботрещиноватые (от 0,5 до 1,5), трещиноватые (от 1,5 до 5), сильнотрещиноватые (от 5 до 20) и раздробленные (более 30). При оценке инженерно-геоло- гических условий важными характеристиками также являются: характер трещин (скрытые, открытые, закрытые), материал заполнения, ориентация трещин к оси выработки и др. Интенсивность трещиноватости можно оценивать коэффициентом трещинной пустотности, который представляет собой отношение площади, занимаемой трещинами, к площади всего участка и выражается в процентах. Категории трещиноватости грунтовых массивов в зависимости от трещинной пустотности и густоты трещин (среднего расстояния между ними) при количестве систем трещин от трех до пяти представлены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Категории трещиноватости грунтовых массивов в зависимости от трещинной пустотности

Трещинная пустотность, % Kатегории скальных массивов по степени трещиноватости при густоте трещин, м

Примечания: 1. При определении трещинной пустотности рыхлый или глиноподобный материал заполнения трещин не учитывается.

2. При большой и очень большой трещинной пустотности и хорошо выраженной расчлененности массива на блоки по степени трещиноватости

его следует относить к V категории независимо от густоты трещин.

3.В условиях ожидаемого полного нарушения сплошности скальных грунтов в результате интенсивного расслаивания (кливажа) грунты следует относить к раздробленным.

4.При наличии поверхности скольжения категорию грунта по степени трещиноватости следует повышать на одну ступень.

5.При трещинах, залеченных частично твердым (кристаллическим) материалом, категорию грунта по степени трещиноватости следует понижать на одну ступень, а при полностью залеченных трещинах – принимать по I категории.

13

В окружающем подземную выработку массиве наблюдается чередование зон наведенной трещиноватости грунтов (табл. 1.3), где происходит разгрузка их от напряжений, с зонами менее нарушенного массива, в которых имеют место концентрации напряжений [18, 19]. Ширина зон наведенной трещиноватости может достигать 1,5 м. В запредельном состоянии грунт ведет себя как пластичная среда. В нем образуются плоскости скольжения (сдвига) под углами внутреннего трения. В результате сдвига образуются трещины. На больших глубинах, где напряжения в массиве сравнимы с его прочностью, либо в неустойчивых грунтах, прочность которых сравнима с напряжениями в массиве, возникающими на относительно небольших глубинах, проявляется эффект увеличения объема грунта.

Структура грунта существенно влияет на его строительную оценку. Среди магматических грунтов наиболее прочны и устойчивы полнокристаллические мелкоили среднезернистые грунты. Крупнозернистые грунты легче поддаются нарушениям при механических воздействиях и резких изменениях температуры. Среди осадочных грунтов более устойчивы и прочны кристаллические известняки и доломиты с равномерной структурой. Слабыми являются грунты оолитовой или туфовидной структуры.

Слоистость грунтов понижает устойчивость грунтового массива и приводит к возникновению одностороннего горного давления. Следует избегать заложения тоннеля на контакте двух различных по свойствам грунтов, особенно при заполнении зон контакта размягчаемым материалом и наличии крутонаклонных пластов. На рис. 1.1 показаны возможные формы отслоения контура выработки в зависимости от характера слоистости и угла падения грунтов.

14

Средней устойчивостью обладают роговая обманка, авгит, доломит, кальцит. Неустойчивы пирит, глауконит, основные плагиоклазы, биотит, из-за легкой растворимости – гипс, ангидрит сильвин и др. Глинистые минералы в химическом отношении устойчивы, но их свойства резко изменяются при увлажнении, промерзании и других внешних воздействиях.

Водопроницаемость грунта оценивают коэффициентом фильтрации (водопроницаемости) Кф, м/сут, определяемым по формуле Дарси:

где Q – расход воды через сечение потока F, м3/сут; L – длина пути фильтрации, м; Н – напор фильтрации, м; t – время фильтрации, сут.

В зависимости от величины коэффициента фильтрации грунты подразделяют на хорошо проницаемые (Кф > 100 м/сут –

Кф = 10...…15 м/сут – пески среднезернистые), слабо водопроницаемые (Кф = 0,1...…10 м/сут – пески мелкозернистые, супе-

Водопроницаемость скальных грунтов определяют по их удельному водопоглощению, для определения которого забуривают скважину и нагнетают в нее воду при разных давлениях. Удельное водопоглощение (поглощение воды на 1 м скважины

где Q – расход воды в скважине, л/мин; Н – давление нагнетания воды в скважину, м; h – глубина скважины, м.

1.3.2. Гидрогеологические условия

Влияние гидрогеологических условий проявляется [17–20] в

виде напора подземных вод на конструкции, вредного влияния неагрессивных и агрессивных подземных вод через обводнен-

16

ность. Строительство тоннельных сооружений вызывает активизацию физико-химического действия воды. Взаимодействие тоннельного сооружения с подземными водами проявляется в гидростатическом давлении на конструкцию, нарушении устойчивости грунтового массива за счет размягчения твердых и разжижения несвязных грунтов. Фильтрация воды (особенно агрессивной) вызывает вымывание и растворение грунта и цемента, образование пустот, нарушение устойчивости грунтового массива, разрушение обделки и оборудования. Динамическое воздействие оборудования на грунт влечет увеличение скорости движения подземных вод, что интенсифицирует названные процессы. Тоннельные сооружения действуют как дамбы на пути движения грунтовых вод, создавая сосредоточенную фильтрацию около сооружения и активизируя развитие карстов, представляющих большую опасность. Неожиданный прорыв водогрунтовых масс в выработку может сопровождаться человеческими жертвами. В крупных городах наблюдаются значительные колебания уровней грунтовых вод. В ближайшем к поверхности земли грунтовом горизонте происходят подтопления, вызванные потерями из водоводов, сезонные подтопления атмосферными осадками. Интенсивная откачка подземных вод вызывает разуплотнение грунтовой толщи, деформации грунтового массива (до 150 мм и более), зданий и сооружений. К отрицательным последствиям обводнения и подтопления относят снижение несущей способности грунтов, эрозию почвы, образование оползней, суффозионно-карстовых провалов, усиление коррозии трубопроводов, затопление подвалов зданий и др. Оценивая обводненность выработок, необходимо определить источники обводнения (из какого водоносного горизонта и в каком количестве поступает вода в выработку), режим поступления, объем водопритока и т. п. В скальных массивах водопроявления обычно связаны с трещинами и тектоническими разрывами. При этом состояние массива может изменяться в результате колебаний гидрогеологического режима в течение годового цикла, сейсмичности района и пр. При проходке тоннельной выработки могут быть вскрыты подземные воды различного происхождения и типа. Подземные воды подразделяют на следующие виды.

1. Пластовые воды. Обычно приурочены к определенному комплексу грунтовых слоев (чаще – синклинальных), обладающих коллекторными свойствами и поэтому легко устанавливаемых в пространстве. Водоносный горизонт таких вод характе-

17

ризуется значительной площадью распространения (до тысяч квадратных километров), большой глубиной залегания (до сотен метров), огромным запасом воды, напором в соответствии с высотой пьезометрического столба и мало зависит от атмосферных факторов. При больших площадях питания и незначительных размерах артезианского бассейна, в сочетании с потребностями пополнения запасов, в крупных бассейнах нередко вскрываются минерализованные, а иногда загазованные воды.

2.Трещинные воды. Обусловлены наличием трещин в скальных и полускальных грунтах. Гидравлический режим и химический состав грунтов зависит от характера трещиноватости и состава заполнителей. В верхней зоне (до 50–60 м) воды приурочены к трещинам выветривания, их питание осуществляется за счет атмосферных осадков или поверхностных водоемов. С увеличением глубины степень трещиноватости грунтов снижается, водоносному слою становится присуща безнапорность независимо от пространства и времени. На больших глубинах

(300–600 м) трещинные воды становятся напорными, но обычно имеют малый водоприток — порядка 1,0 м3/ч.

3.Карстовые воды. Приурочены к растворимым грунтам (известняки, доломиты, каменная и калийная соли), образуют крупные скопления, которым присущи закономерности поверхностных водных потоков. Иногда водоприток в выработку может достигать сотен кубометров в час. Интенсивность растворения грунтов увеличивается с повышением температуры и присутствием углекислоты.

4.Грунтовые воды. Существуют в делювиальных отложениях, имеющих пылевато-глинистый состав, малую водонепроницаемость и отдачу, обычно встречаются лишь на припортальных участках. Режим таких вод не постоянен, зависит от атмосферных осадков, но крупных притоков в выработку, как правило, не бывает. Однако в результате увлажнения делювиального слоя активизируются оползневые процессы.

По классификации Н.И. Плотникова [17], трещинные воды могут быть следующих видов.

1.Трещинно-грунтовые воды. Характерны для верхней части коренных грунтов, не имеют гидростатического напора. Наличие таких вод существенно не влияет на сооружение тоннеля.

2.Трещинно-жильные воды. Расположены в мощных вытянутых зонах, к которым приурочены обильные подземные потоки. Они обладают большим гидродинамическим напором, что и является причиной внезапных прорывов. Этот вид грунтовых

18

вод наиболее опасен при строительстве тоннельных сооружений.

3.Трещинно-пластовые воды. Залегают в слабопроницаемых или водонепроницаемых грунтах и, как правило, обладают гидродинамическим напором. При проведении выработок эти воды также представляют серьезную опасность.

4.Трещинно-карстовые воды. Заполняют трещины и карстовые пустоты в массиве, распространены в толще водонестойких грунтов. В зависимости от геологических условий они могут быть напорными и безнапорными. Карстовые воды скапливаются в пустотах замкнутого типа. Трещинно-карстовые и карстовые воды являются основным источником обводнения подземных выработок и образования карстовых пещер. Характеристики подземных и трещинных вод представлены в табл. 1.4.

Суффозионный процесс, протекающий в трещинах по периметру выработки, приводит к вымыванию или растворению

19

заполнителя трещин. Существенным оказывается влияние воды в крупных трещинах и тектонических разрывах, заполненных глинистыми грунтами. В технической литературе приведено много примеров возникновения аварийных ситуаций при строительстве тоннелей в обводненных скальных грунтах, трещины которых имеют глинистый заполнитель. При дренировании подземных вод глинистые грунты вымываются, размокают, что приводит к резкому снижению сцепления частиц грунта массива. Это может вызвать обрушение через несколько суток. Особого внимания требуют массивы, подвергающиеся периодическому обводнению (сезонному, техногенному и пр.). Сцепление трещиноватых грунтов с растворимыми заполнителями (известковые туфы, каменная соль, гипс и др.) в необводненных массивах выше, чем в массивах с глинистым заполнителем. Но их обводнение также приводит к ухудшению устойчивости, развитию вывалов, хотя размыв и растворение таких заполнителей происходит локально и значительно медленнее.

Время устойчивого состояния массива после раскрытия выработки зависит от степени обводнения, минерализации грунтовых вод и исчисляется от месяца до нескольких лет. С изменением прочности заполнителя под действием гидростатического напора число вывалов увеличивается. В трещиноватых грунтах, где заполнителем являются непроницаемые нерастворимые минералы (мраморовидный кальцит, доломит, кварц, полевые шпаты и т. п.), изменения устойчивости массива во времени не происходит. Высокая деформативность глинистых грунтов при увлажнении создает опасность их быстрого обрушения под действием собственного веса. Таким образом, подземные воды уменьшают связи между частицами грунтов, создают дополнительные плоскости скольжения, образуют пустоты растворением или вымыванием частиц, вызывают пучение глинистых грунтов и тем самым создают опасность обрушений тоннельных выработок.

Неагрессивные воды вызывают понижение прочности и устойчивости грунтового массива, особенно – мергелей, глин и песков, которые могут превратиться в плывуны, а также выщелачивание цементного камня из бетонных конструкций.

Агрессивные воды оказывают на тоннельные конструкции непосредственное действие (растворяют карбонат и гидрат окиси кальция в составе цементного камня с образованием солей) или косвенное (через грунты, окружающие тоннель). Агрессивность воды определяется следующими признаками [19]: времен-

20