699

Примечания: 1. Число трещин определяется на двух перпендикулярных плоскостях (забой и стена) на длине, превышающей среднее расстояние между трещинами в 8–10 раз. Учитываются трещины всех систем, независимо от их раскрытия и заполнения вторичными образованиями.

2. Категорию грунтов по трудности разработки определяют в целом для всей массы разрабатываемых грунтов в забое. При наличии двух-трех различных групп грунтов дается и соотношение их категорий в процентах от площади забоя.

Представление о степени трещиноватости скальных грунтов дает коэффициент трещинной пустотности Ктр, являющийся отношением площади, занимаемой трещинами S1, к площади поверхности грунтов на участке забоя, стенке выработки S0, выраженной в процентах:

Ктр S1 100 %.

S0

В зависимости отвеличины коэффициента трещинной пустотности выделяется пять групп трещиноватости скальных грунтов

(табл. 3.4) [8].

3 1

Таблица 3.4

Степень трещиноватости грунтов по величине коэффициента трещинной пустотности

4. ОБВОДНЕННОСТЬ ГРУНТОВЫХ МАССИВОВ

Обводненность грунтового массива имеет большое значение при оценке его строительной сложности.

Обводненность грунтового массива определяется статическими и динамическими запасами подземных вод.

Статические запасы представляют объемы воды, находящиеся в водоносных пластах, карстовых пустотах, трещинах горных пород. Статические запасы определяются суммарной мощностью водоносных пластов и площадью их распространения. Наибольшие запасы находятся в карстовых пустотах. Средние объемы характерны для горизонтов рыхлых грунтов и меньшие заключены в трещинах скальных грунтов.

Трещинные воды — подземные воды, циркулирующие в трещинах скальных грунтов. Они перемещаются по трещинам разного происхождения: тектоническим разломам, трещинам отдельности магматических массивов и трещинам выветривания и образуют единую гидравлическую систему, напоминающую систему сообщающихся сосудов.

В верхней зоне массивов скальных грунтов до глубины 100 м развиты трещинно-грунтовые воды. Пополняются они за счет инфильтрации атмосферных осадков. Водообильность их определяется интенсивностью их пополнения и степенью трещиноватостигорных пород. Скальные грунтыдолин ректектонического происхождения более водообильны, чем грунты, слагающие водоразделы. При вскрытии трещинно-грунтовых вод горной

3 2

выработкой с поверхности они ведут себя как обычные ненапорные грунтовые воды.

Ниже по разрезу в зонах глубоких тектонических разломов залегают трещинно-жильные воды. Это линейно вытянутые водные потоки, уходящие в глубину до нескольких сот метров. Питаются они за счет просачивания трещинно-грунтовых вод, т.е. также за счет инфильтрации атмосферных осадков.

Разновидностью трещинно-жильных вод являются карстовые воды, циркулирующие по трещинам, пустотам и пещерам карстового происхождения. Карстовые воды перемещаются в виде речных потоков по системе сообщающихся пещер или заполняют изолированные подземные полости и создают большие запасы. Питание карстовых вод осуществляется также за счет инфильтрации атмосферных осадков или засчет просачивания воды из поверхностных рек.

Вгорно-складчатыхобластяхвзонах тектонических разломов

ив карстовых пещерах трещинно-жильные и карстовые воды сосредоточены в виде гигантских объемов и обладают повышенным напором.

Химический состав как трещинно-жильных, так и карстовых вод определяется химическим составом вмещающих их горных пород.В зонеинтенсивного водообменатрещинные водыобычно пресные, гидрокарбонатные (в известняках) или жесткие сульфатные (в гипсах).

Статические запасы являются источником и причиной значительных притоков воды и даже катастрофических прорывов в подземные выработки. По мере сработки статических запасов происходит снижение притоков.

Динамические запасы (ресурсы) равны расходу воды в единицу времени, м3/сут, протекающей через поперечное сечение водоносного горизонта. Динамические запасы находятся в зависимости от водопроницаемости водоносных горизонтов и условийвозобновления.Их объемы рассчитываются поформуле Дарси:

Qдин = КфhсрBi,

где Кф — коэффициент фильтрации, м /сут; hср, B, i — соответственно средняя мощность, ширина и уклон потока подземных вод.

3 3

В зависимости от величины коэффициента фильтрации грунты подразделяются на шесть категорий (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Классификация грунтов по величине коэффициента фильтрации

Величинакоэффициентафильтрациизависит:отразмерапор, трещин и их формы, от количества глинистых частиц в грунтах.

Сувеличением глинистых частиц Кф уменьшается. Присутствие катионов Ca и Mg увеличивает водопроницае-

мость, а присутствие катионов Na и K уменьшает величину коэффициента фильтрации.

Прирешениипрактическихвопросовпоопределениюпритока воды к выработкам в каждом случае определяются значения коэффициента фильтрации одним из методов: расчетным, лабораторным и более точными полевыми методами.

При строительстве подземных сооружений общая обводненность массива грунтов оценивается по показателям:

1)суммарного притока воды в подземную горную выработку, м3/ч;

2)удельного притока воды на 1 м2 обнаженной поверхности выработки, л/ч;

3)коэффициенту фильтрации;

4)коэффициенту водопроводимости Т = Кфhср, м2/сут, где hср — мощность водоносного пласта.

Степень обводненности может достигать более 1000 м3/ч. Проходка тоннельных выработок в грунтовых массивах с высокой водообильностью требует серьезных мероприятий как по предварительному водопонижению, так и в процессе строительства и эксплуатации.

3 4

Во время быстрого вскрытия подземной выработкой (тоннелем) водообильного горизонтапроисходит кратковременный,но весьмабольшой(отсотен донесколькихтысячм3/ч)водоприток («прорыв»). Он способен затопить тоннель и затормозить строительство. Водоприток от десятков до сотен м3/ч не является катастрофическим по своему характеру, но усложняет проведение работ, ухудшает условия труда.

Для выбора оптимальной конструкции водоотлива необходимо оценить водоприток в его динамике, т.е. в первые часы и изменение его во времени.

В начальный период при вскрытии водоносной тектонической зоны формируется максимальный приток. Величина его может быть рассчитана по выражению

Qпр = КфFвырHст,

где Fвыр —площадьповерхностивыработки,м2;Hст —начальный статический напор, м.

Через промежутоквремени водоприток снизится до величины

Q1 = КфFвыр.

Так, по данным, приведенным А.Б. Сотниковым, в первые минуты водопритока (прорыва) на Северо-Муйском тоннеле он составлял 1000 м3/ч при средней величине водопритока за первые 5 ч, равной 200 м3/ч, а через 5 ч водоприток снизился до

7,0 м3/ч [12].

Поступление воды в подземные выработки происходит с разной интенсивностью. Степень водообильности грунтов при проходке подземных выработок устанавливается в соответствии с табл. 4.2.

3 5

Окончание табл. 4.2

Химический состав, агрессивность подземных вод

Подземные воды представляют собой сложный химический раствор. Минералы (минеральные соли), растворяясь в воде, распадаются наанионы:Cl, SO4,CO3,другиеикатионы:Ca,Mg, Na, K и др. Суммарное содержание растворенных в воде солей оценивается через показатель общей минерализации M, г/л. О ее величине судят по сухому остатку, г/л, который получается после выпарения одного литра воды.

В зависимости от величины сухого остатка и содержания анионов и катионов различают следующие виды подземных вод

(табл. 4.3).

Таблица 4.3

Классификация подземных вод по степени минерализации

Химические соединения, содержащиеся в воде, способны разрушать строительные конструкции, а воды, содержащие их, являются агрессивными.

3 6

Являющиеся агрессивными подземные воды: с повышенной минерализацией (с величиной сухого остатка более трех), с повышенной жесткостью, обусловленной присутствием в воде катионов Ca и Mg. В зависимости от содержания Ca и Mg, выраженного в мг-экв/л, воды изменяются от очень мягких (до 1,5 мг-экв/л) до очень жестких (более 9,0 мг-экв/л).

В зависимости от химического состава агрессивного вещества различают следующие виды агрессивности воды:

1.Сульфатная агрессивность. Обусловлена присутствием в

воде аниона SO42, разрушающе действует на бетонные конструкции. Вода считается агрессивной для портландцемента при

концентрации SO4– свыше 250 мг/л и для пуццолановых цементов свыше 1000 мг/л.

Сульфатная агрессивность проявляется и в случае повышенного содержания в грунтах массива сульфида железа (пирита, маркозита, см. стр. 14).

2.Общекислотная агрессивность. Обусловлена кислой реакцией воды при pH менее 5,0. Особенно агрессивны к металлическим конструкциям болотные воды, у которых pH менее 3,0.

3.Магнезиальная агрессивность. Обусловлена присутствием катиона Mg. При концентрации катионов Mg более 2000 мг/л вода агрессивна по отношению к портландцементу.

4.Кислороднаяагрессивность. Вызываетсявоздействием кислорода, содержащегося в воде. Проявляется по отношению к металлическим конструкциям.

5.Углекислая (карбонатная) агрессивность. Возникает в

результате действия агрессивной CO2 на бетон. При воздействии на свободный CO2 происходит выщелачивание из бетона бикарбоната кальция и разрушение бетона. Агрессивными считаются

воды с содержанием CO2 более 3 мг/л.

Агрессивность подземных вод устанавливается сопоставлением данных химического анализа воды с требованием нормативных документов, после чего определяют меры борьбы с ней: применение сульфатостойких и других специальных цементов, гидроизоляцию сооружений и т.д.

Интенсивность агрессивности подземных вод и коррозия строительных конструкцийзависитотконцентрации агрессивного вещества, температуры воды и скорости ее движения.

3 7

Таким образом, неблагоприятное воздействие подземных вод на подземные транспортные сооружения проявляется в виде мощных водопритоков в период строительства. При эксплуатации сооружений создается дополнительное гидростатическое давление на обделку, ее деформацию. Кроме того, подземные воды выщелачивают бетон, обводняют контактную сеть и рельсовые пути, ускоряют их коррозию, существенно понижают прочностные свойства грунтов массива.

5.УСТОЙЧИВОСТЬ ГРУНТОВ В ВЫРАБОТКЕ

Взависимости от крепости грунтов, степени трещиноватости

иобводненности грунтов ориентировочно оценивается устойчивость грунтов в подземной выработке (табл. 5.1).

Примечания: 1. Под устойчивостью грунтов понимают их способность сохранять в забое (в данных инженерно-геологических условиях, при данном способе горно-проходческих работ и конкретной площади забоя) состояние

3 8

равновесия без каких-либо явных деформаций в течение времени, необходимого для установки крепи.

2.В случае залегания в своде выработки грунтов пониженной устойчивости, соответственно характеризуются и грунты в пределах забоя.

3.Степень устойчивости грунтов может определяться в зависимости от конкретных условий как одним критерием, так и их комплексом.

При слабой устойчивости и неустойчивом состоянии грунтов при проходе транспортных тоннелей и метрополитенов рекомендуется закрепление грунтов перед фронтом забоя.

6. ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ В ГРУНТОВОМ МАССИВЕ

Грунты в условиях естественного залегания находятся в состоянии всестороннего сжатия (напряжения). Напряженное состояние обусловлено:

1 — влиянием веса вышележащих грунтов;

2 — тектоническими силами;

3 — величиной температурных градиентов;

4 — геохимическими процессами в массиве.

Вприповерхностныхслояхземнойкорынапряжениеобусловлено главным образом весом вышележащих пород. На глубине 10–20 м напряжение составляет 0,1–0,2 МПа, 100–150 м напряжение составляет 2–3 МПа и на глубине 1000 м достигает от 20 до30МПа. Приэтомгоризонтальнаясоставляющая напряжений превышает вертикальную, особенно в кристаллических скальных грунтах горно-складчатых областей.

Взоне тектонических разломов естественное напряжение в грунтах, как правило, выше, чем на удалении от них (в 6 раз).

Допроходки горных выработок напряженноесостояние грунтов уравновешивается силами прочности пород. При проходке подземной выработки происходит перераспределение напряжений, что приводит к деформациям, разрушениям и перемещениям грунтов. То есть возникает взаимодействие грунтов с горной выработкой и ее крепью, проявляется горное давление.

Горное давление — давление, передаваемое горными породами при их перемещении на крепь, целики и стенки горных выработок. На развитие горного давления оказывают влияние: геологические условия(строение массивагрунтов,их прочность, трещиноватость, степень обводненности) и горно-технические условия(размер, формагорнойвыработки, скоростьпроходки).

3 9

В реальных грунтовых массивах горное давление развивается неравномерно как по периметру выработки, так и во времени

(рис. 6.1) [10].

Рис. 6.1. Горное давление на крепь тоннеля на линии Сараево—Плоча (Югославия), пройденного в дислоцированных песчаниках, сланцах и мергелях триаса (по Крсмановичу и Бутуровичу, 1971); 2–11 — домкраты плоские, d = 800 мм

Как правило, со временем, в процессе эксплуатации подземного сооружения, горное давление возрастает и может достигать значительных величин, иногда более 10 МПа (Северо-Муйский, Арпа-Севанский тоннели).

Скальные грунты с повышенной прочностью (магматические, метаморфические породы) вполне устойчивы в горных выработках на глубинах до 700 м. Горное давление уравновешено сопротивлением пород сжатию, и выработка сохраняет устойчивое состояние. Горное давление в них может проявляться в виде отдельных вывалов в зоне интенсивной трещиноватости.

В полускальных осадочных грунтах в кровле выработки наблюдается прогибание, расслаивание и обрушение их. В полускальных глинистых грунтах (аргиллитах, алевролитах, мергелях) часто происходит взламывание и выдавливание их со стен выработки и ее почвы.

4 0