757

кого давления, разжижению (тиксотропии) слабо химически закрепленного грунта в зоне трещины.

При вскрытии Северо-Муйским тоннелем зон разломов прорыва- лисьводно-грунтовыепотокисрасходомдо6 000м3/ч,апериодически даже до 20 000 м3/ч.

Подобные прорывы подземных вод наблюдались при проходке тоннелей на Кавказе. При строительстве Арпа-Севанского тоннеля водопритоки составили от 100 до 1000 л/с с давлением до 50 атм. и выносом грунтов максимальным объемом до 2 500 м3.

Столь мощныепрорывы подземных вод и обильныевыносы пород объясняются громадными статическими запасами трещинно-жиль- ных вод в массивах грунтов горноскладчатых областей.

Аварийные прорывы плывунов наблюдаются при строительстве и эксплуатацииметрополитеноввусловияхравнинплатформенныхтерриторий.

Прорывпроисходитпривскрытииподземнойвыработкойплывуна или через слой водонепроницаемого глинистого грунта в кровле, подошве или в забое выработки.

Процесс прорыва начинается свзламывания слоя глинистых грунтов, преграждающегодоступ воды в выработку, появляются трещины вслое,возникаеткапеж,струиводы,происходитвыдавливаниегрунта по почве выработки и прорыв. Прорыв воды или плывуна через слой глиныпроисходитпримощностиводонепроницаемогослояменее3м. Так, при строительствеметрополитена на глубине 80 мбылопроведено некачественное замораживание грунта. При проходке выработки произошел прорыв. Тысячи кубических метров грунта заполнили готовую выработку. На поверхности земли образовалась мульда оседания диаметром 300 м с провалом в центре.

Возникают аварийные прорывы плывунов и в эксплуатируемые метрополитены при существенном увеличении гидростатического давленияподземныхводвслучаевыходаизстроядренажнойсистемы метрополитена.

Меры борьбы с прорывами: бурение опережающих скважин из забоявыработки,химическоезакреплениеплывуновизонтектонических разломов, замораживание и водопонижение.

Растворение и суффозия в грунтах по контуру подземных транспортных выработок усиливается вследствие работы водопонизительнойдренажнойсистемы.Заобделкойвыработкиформируютсякарсто-

В зависимости от интенсивности просадочности выделяются два типа просадочных грунтов. К первому типу относятся грунты, проседающие после водонасыщения под действием нагрузки сооружения. Ковторомутипуотносятсягрунты,проседающиеприводонасыщении только под действием собственного веса грунтов.

При строительствена лёссовыхгрунтахнеобходимопредпостроечное упрочнениеих (см. гл. 6) или применениеспециальных конструкций фундаментов.

Используются лёссовые грунты при отсыпке насыпей железных и автомобильных дорог, изготовлении строительного кирпича.

К классу природных дисперсных грунтов относятся современные

органическиеиоргано-минеральныегрунты,характеризующиесясла-

бой структурной прочностью и повышенной агрессивностью к строительным конструкциям.

Торф — современный органический грунт, состоящий из полуразложившихся остатков растений (болотных трав, мхов, камышей, древесныхстволов),образованныйвусловияхизбыточногоувлажненияи недостаточного доступа кислорода. Содержание органики в торфе превышает50%, остальнаячастьможетбытьпредставленаминеральным веществом (глиной, песком). При содержании органики от 10 до 50 % грунты относятся к заторфованным.

Торф характеризуется высокой пористостью (более 60 %) и влажностью (до 100 %). Большая часть воды находится в связанном состоянии,и тольковколичестве4–9%присутствуетгравитационнаявода. При высыхании торфов происходит значительная усадка (до 44 %). Плотность торфа составляет 0,6–1,1 т/м3.

Прочностные характеристики торфов зависят от их происхождения, степени разложения, плотности и влажности. Наибольшей прочностью обладает торф аллювиально-болотного происхождения с высокой степенью разложения.

Высокая пористость и огромная влажность обусловливают сильную сжимаемость грунта. Неоднородность строения и состава торфяной залежи, высокая сжимаемость приводят к значительным осадкам инженерныхсооруженийиихдеформациям.Пристроительстведорог торф рекомендуется выбирать и заменять его обломочными грунтами (песками, щебнем и др.).

Применяется торф в качестветоплива и теплоизоляционногоматериала, широко используется как органическое удобрение.

Почва—природноеобразование, слагающееповерхностный слой земной коры и обладающееплодородием. Почва состоитизминерального вещества, представленного обломками минералов различной дисперсности (кварц, полевые шпаты, лимонит, каолинит, монт-мо- риллонит и гидрослюды), и органического вещества (гумуса), содержаниекоторогоизменяется отдолей процента до22%помассе. Часто всоставепочвприсутствуютразличныесоли,органическиекислотыи всегда микроорганизмы. В основу классификации почв положена их кислотность в зависимости от величины водородного показателя pH: кислые, нейтральные, щелочные почвы. Особенности состава почв обусловливают их агрессивность по отношению к строительным конструкциям.

В естественном залегании почвы характеризуются повышенной пористостью, а следовательно, и сжимаемостью. При освоении строительныхплощадокрекомендуетсяпочвенныйгоризонтсрезать,складироватьв буртыи потом использоватьдлярекультивации освоенной территории.

Ил — водонасыщенный современный осадок преимущественно морского происхождения. Содержит органическое вещество в виде растительных остатков и гумуса. Как правило, имеет текучую консистенцию и коэффициент пористости более 0,9. Под весом сооружения выдавливается.

Сапропель — пресноводный ил, темно-серый, образуется на дне застойныхводоемов (озер, болот) изпродуктов распада растительных и животных организмов. Сапропель имеет коэффициент пористости более 3 и текучую консистенцию. В составе преобладают мелкие минеральные частицы мельче0,25 мм более 95 % массы. Относится к слабымгрунтам.Поднагрузкойсооружениявыдавливается.Применяется в качестве удобрения.

4.3.2.Скальные осадочные грунты

Кклассу природных скальных грунтов относятся сцементированные обломочные грунты и грунты химического состава.

Сцементированные обломочные грунты состоят из обломков различных пород и минералов, связанных между собой природным цементом. В качествецемента могут быть различныесоли, выпавшиеиз водногораствора,циркулировавшегопопорамрыхлойпороды:гидрогель кремнезема (кремнистый цемент), углекислая известь (известко-

При проходке подземных выработок в массивах полускальных глинистыхгрунтов (аргиллитови алевролитов)с прослоями каменного угля проявляются газодинамические явления.

Газодинамические явления выражаются в повышенном выделении газов и выбросом газов в выработку раздробленных грунтов, что приводит к разрушению выработки.

Меры, предупреждающие проявление газодинамических явлений: опережающее бурение, снижение газового давления (дегазация) и увлажнение грунтов через опережающие скважины.

При воздействииподземныхводвподземныхвыработкахпроявляютсяпрорывыподземныхводиплывунов, растворениегорныхпород, суффозия, разжижение водонасыщенных грунтов.

Прорыв подземных вод и плывунов происходит при вскрытии подземной выработкой заполненных водами карстовыхпустот, тектонических трещин и слоев плывунов. Основная действующая сила процесса — гидростатическое давление воды водоносного горизонта над кровлей выработки.

Вгрунтовыхмассивахгорноскладчатыхобластейпрорывыподземных вод в выработки происходят при вскрытии ими карстовых полостей или трещинных подземных вод тектонических трещин.

При проходке Северо-Муйского тоннеля на БАМе произошло более25прорывовподземныхводразличнойинтенсивности(см.рис. 80). 20.09.1979г.взабойтоннеляподдавлением15атм.произошелпрорыв плывуна из Ангараканской депрессии вблизи от западного портала (см. рис. 81). В течение7 мин было вынесено12 000 м3 водно-грунто- вой массы. Проходку тоннеля удалось возобновить только через два года. Ангараканская депрессия представляет собой углубление в гранитах глубиной до 180 м, заполненное гравийно-песчаными отложениями,иногдаслабосцементированными.Грунтыдепрессииобводнены за счет гидротерм и атмосферных осадков. При вскрытии их выработкой они перешли в плывунное состояние.

16.04.1999 г. произошел аварийный прорыв трещинно-жильных вод втоннельизтектонической зонызападноготектоническогоблока. Суммарный вынос обломочных грунтов составил около 7000 м3, на поверхности образовалась воронка в виде провала диаметром 5 м и глубиной 12 м. Водоприток достигал 500 м3/ч. Причиной аварийного прорыва подземных вод явилось проявление сейсмического воздействия (2–3 балла), что привело к резкому увеличению гидростатичес-

терныпластическиедеформации,ночасторазвиваютсяивполускальных пылевато-глинистых грунтах (аргиллитах, алевролитах, мерге- лях).Так,влитофицированноймезозойскойтолщеуглисто-глинистых грунтов была построена подземная бетонная камера, которая через шесть лет была разрушена в результате развития выпора (рис. 84). Выпоры зачастую разрушают даже железобетонное крепление, сжимаютпоперечноесечениевыработкиизаполняютеегрунтом(см.рис.84).

а)

б)

в)

Рис. 84. Выпор углисто-глинистых грунтов и разрушение бетонной камеры (по Г.С. Золотареву):

а — по окончании строительства; б — через 3 года; в — через 6 лет

вый, вскипаетотвоздействиясолянойкислоты),окислыжелеза(железистый, грунт имеет бурый цвет), гипс и глинистоевещество(глинистый).

Структурныесвязи унихцементационные,взависимости отсостава могут быть водостойкими и водонестойкими.

Ихпрочность восновномзависит отсостава и прочности цементирующеговещества.Повышеннойпрочностьюобладаютгрунтыскремнистым цементом. Известковый и особенно гипсовый цемент могут растворятьсявводеивыщелачиватьсясобразованиемвпородепустот. Наименьшей прочностью обладают грунты с глинистым цементом. Они относятся к полускальным грунтам.

Конгломератсостоитиз окатанныхобломков(галечника, гравия), связанныхразличнымпосоставуцементирующимвеществом.Залегают конгломераты в форме слоев, линз.

Плотность1,9–2,9 т/м3, прочность конгломератовзависитотсостава цемента. Предел прочности у конгломератов с известково-глинис- тымцементомсоставляетот3до25МПа,укремнистыхконгломератов достигает150МПа. Коэффициенткрепости соответственноот3до15.

Применяется в качестве бутовогокамня при возведении каменных стен,пестроокрашенныеразновидности— какоблицовочныйкамень. Из кремнистых конгломератов получают качественный щебень для дорожного строительства.

Брекчия состоит из угловатых (неокатанных) обломков горных пород (щебня, дресвы) и цементирующего вещества. Состав обломков, входящих в брекчию, более однороден, чем в конгломерате, вместе с тем они могут обладать незначительной прочностью. На прочность брекчии влияет как состав обломков, так и состав цемента.

Плотность брекчии — 1,9–2,5 т/м3, предел прочности от 2 до 100 МПа, коэффициент крепости от 1 до 12.

Используется в дорожном строительстве после дробления в виде щебня.

Песчаник состоит из песчаных обломков минералов и цементирующеговещества.Песчаникхарактеризуетсяналичиемкристаллизационныхсвязей.Взависимостиотсоставацементаразличаютпесчаники кремнистые, известковые, глинистые, гипсовые, по размеру зерен — крупнозернистые, среднезернистые и мелкозернистые. На изломе отчетливо видны песчаные частицы диаметром 2–0,5 мм.

Залегают песчаники в форме слоев, линз.

Прочностьпесчаниковизменяетсявширокихпределахизависитот состава цемента, состава и величины зерен, пористости. Наиболее прочные— кремнистые песчаники; глинистые и гипсовыепесчаники легко выветриваются, относятся к полускальным грунтам.

Плотность 2,0–2,7 т/м3, предел прочности от 1 до 150 МПа, пористость 6,9–28,3 %, коэффициент крепости 1–15.

Песчаники с кремнистыми известковымцементом используютсяв дорожном строительстве в качестве щебня.

Алевролит — полускальный грунт, образуется при уплотнении и окаменении пылевато-песчанистых грунтов (супесей). Цветгрунта — темно-серый, черный, при выветривании — серый, темно-бурый. На свежейповерхностигрунтавиднычастицыразмеромот0,1до0,05мм.

Плотность грунта изменяется от 2,1 до 2,6 т/м3. Предел прочности изменяется от 3 МПа — для алевролитов с глинистым цементом, до 30 МПа — алевролитов с карбонатным цементом. Коэффициент крепости — 1–3. При вскрытии грунта горной выработкой алевролиты разрушаются — рассыпаются до трухи. В дорожном строительстве применяютсяалевролитывраздробленном видепри отсыпкенасыпей автодорог.

Аргиллит — полускальный грунт, образовался в процессе уплотненияицементации глин,ихдегидратации подвоздействиемгравитационной нагрузки вышележащей толщи пород или в результате горообразовательных процессов.

Цвет грунта — темно-серый, черный (за счет углистого вещества), привыветривании—серый,темно-бурый.Свежаяповерхностьаргил- лита шелковистая,песчаныхипылеватыхзеренневидно(вотличиеот алевролита).

Плотность 2,0–2,5 т/м3. Прочность зависит от состава цемента. Предел прочности изменяется от 2,0 МПа у аргиллитов с глинистым цементом до 30 МПа — с карбонатным цементом. Коэффициент крепости от 1 до 3. В воде не размокает, но под механическим воздействием не устойчив, при выветривании превращается в глинистую труху. Применяется враздробленномвиде при отсыпкенасыпей автодорог.

Химические скальные грунты образуются в процессе выпадения в осадок химических солей из водных растворов, биохимические — в результате накопления обломков раковин и скелетов различных организмов, которые, в свою очередь, состоят из мельчайших кристаллов

Серьезными осложнениями сопровождалось строительство Лысогорского тоннеля на железнодорожной линии Краснодар — Туапсе. Тоннель на глубине 150 м заложен в толще аргиллитов, пересек сильнодислоцированную зону, осложненную многочисленными разрывными дислокациями. Мощность зоны дробления достигала 100 м. Горное давление в зоне дробления достигало 13 МПа. Проходку затрудняли многочисленныевывалыиобрушениягрунтов, чтовызвало значительные деформации железобетонной отделки, выколы бетона, разрушение отдельных блоков в кольце обделки и, в конечном итоге, удорожание и удлинение сроков строительства.

При проходке Северо-Муйского тоннеля суммарный объем вывалов составил 16 500 м3 грунта (см. рис. 80).

Горные удары — лавинообразное разрушение грунтов высокой прочности вблизи контура выработки. Проявляются в виде мгновенных перемещений больших объемов грунтов в горную выработку в виде раздробленных обломков с сопровождением сильного гула.

Горные удары подразделяются на четыре категории по степени опасности. Врезультатепроявлениягорныхударовпроисходитразрушение горной выработки, ее крепи, машин.

Признаком возможных горных ударов является стреляние грунтов — быстрое отскакивание линзообразных обломков грунтов от обнаженной поверхности выработки. Горные удары возникают на больших глубинах (более400 м)в горноскладчатых областях в пределах сводов антиклинальных складок и в тектонических блоках. Особенно часты горные удары в углисто-глинистых скальных грунтах. Способ ослабления горных ударов — искусственное трещинообразование путем нагнетания воды под давлением в скважины опережающего бурения в забое.

Расслаивание,зависаниеиобрушениегрунтоввкровлевыработ-

ки наблюдается в слоистых толщах осадочных горных пород. При проходке выработки на расстоянии 3–4 м от забоя происходит прогибание и последующее обрушение грунтов. Для предотвращения обрушения необходимо немедленное установление крепи.

Выпоры (пучение, поддувание, выдавливание) заключаются в вы-

давливании грунтов в горных выработках из стенок и почвы. Это явление связано в основном с горным давлением и лишь в некоторой степени с увеличением в объеме глинистого грунта при набухании. Наиболеесильныевыпорынаблюдаютсявглинах,длякоторыххарак-

В дисперсных грунтах (глинистых, песчаных) под действием горного давления происходит с большой скоростью формированиесвода обрушения как над кровлей выработки, так и с ее боков.

17.7.Геологические процессы в подземных выработках

Свысоким горным давлением связано образование вывалов, горных ударов, расслаивание, обрушение горных пород и выпоров.

Вывал — локальное обрушение объема грунтов из кровли выработки. Наиболее часто вывалы наблюдаются в призабойной части выработки или в выработанном пространстве незакрепленной выработки.Врезультатеобразованиявывала вкровлевыработкиобразуетсяполостьвформекупола(происходит«куполение»).Размерывывала зависят от состава грунтов, их залегания и трещиноватости. Объем вывала достигает 1000 м3.

При проходке тоннеля Ингури ГЭС в верхнемеловых слоистых известняках в зоне тектонической трещиноватости произошел вывал объемом950 м3, а взоне трещиноватой антиклинальной складчатости произошлообрушениеи отслаиваниегрунта в объеме640м3 (рис. 83).

Рис. 83. Вывалы при проходке деривационного тоннеля Ингури ГЭС (по Г.С. Золотареву):

I — в зоне тектонической трещиноватости; II — в зоне малой складчатости

минералов. Эти грунтыхарактеризуютсядостаточновысокойпрочно- стьюввоздушно-сухомсостояниии растворимостьювводе.Наиболее распространенными являются карбонатные и кремнистые грунты.

Ккарбонатнымгрунтамотносятсяизвестняки,доломиты,мергели, мел.

Характерной ихособенностьюявляетсявскипаниеподвоздействием соляной кислоты, неустойчивость в зоне выветривания, растворениевводе. Карбонатныегрунтыявляютсяглавнымсырьем дляпроизводства портландцемента.

Известнякисостоятизуглекислойизвести(кальцита).Взависимости отпроисхожденияразличаютизвестнякихимическогоибиохимического генезиса.

Химические известняки состоят из мелких зерен кальцита, отложившегося в осадок чисто химическим путем в морских бассейнах. Биохимические известняки обычно состоят из обломков раковин, беспозвоночных организмов, сцементированных углекислой известью. Порода, в которой преобладают раковины, называется ракушечником. Органогенные известняки слагают современные рифы.

Залегают известняки в форме слоев, линз. Цвет породы белый, серый, бурый и даже черный (битуминозный известняк).

Структурные связи кристаллизационные, водонестойкие. Под действием поверхностных и подземных вод, циркулирующих по трещинам, в известнякахразвиваютсякарстовыепустоты, полости,пещеры. Плотность известняков изменяется от 1,8 до 2,7 т/м3, пористость от 5 до 22 %. Предел прочности изменяется от 7 у слабых разновидностей до100МПа укрепких.Коэффициенткрепостиот2до10. Используются при производстве цемента, извести и в качестве стенового камня. Прочные известняки используются в качестве щебня в автодорожном строительстве.

Мел и мелоподобные грунты являются разновидностью органогенных известняков. Состоит мел из мельчайших зерен кальцита, слагающих мелкие обломки скелетов микроскопических многоклеточных организмов. Цвет пород от белого до светло-серого. Залегает мел в видепластов и линз. Структурныесвязи слабыекристаллизационные, водонестойкие. Пористость изменяется от 30 до 54 %, плотность от 1,2 до 1,7 т/м3. Механическая прочность мела колеблется в широких пределах в зависимости от пористости и влажности. Для воздушно-сухихобразцовпределпрочностиизменяетсяот1до40 МПа,

при водонасыщенном состоянии уменьшается до 0, грунт размокает, обладает малой морозоустойчивостью. Коэффициент крепости изменяется от 1 до 4. Мел и мелоподобные породы относятся к полускальным грунтам.

Используется в производстве цемента и для побелки помещений. Известковый туф — разновидность известняка, образуется путем выпадениявосадокуглекислойизвестиизисточниковподземныхвод. Порода пористая, ноздреватая, встречается по склонам речных долин в местах выхода подземных вод. Неустойчив к воде, характеризуется малой прочностью, предел прочности менее5 МПа. Применяется при

производстве цемента и как декоративный камень.

Мергель—состоитизсмесиглины(30–60%)иуглекислойизвести (менее 50 %). В зависимости от соотношения углекислого кальция и глины различают глинистый и известковый мергель.

По внешнему виду похож на глину, но бурно вскипает от соляной кислоты, и на местекаплиостается грязноепятно, из-за присутствияв породеглинистыхчастиц пахнет«печкой». Окраскамергелей:светлосерая, пестрая, розовато-желтая, бурая, зеленоватая, в зависимости от примесейразличныхсоединенийжелеза. Мергель—породасложного происхождения:морского, озерного, реже — речного, частосодержит остаткиморскойилипресноводнойфауныифлоры.Залегаетпластами или прослоями.

Структурныесвязикристаллизационные,породаотноситсякполускальным грунтам. Плотность — 2,5 т/м3, предел прочности от 5 до

60МПа, коэффициент крепости 1–6.

Глинистые мергели разбухают от воды, как глины. В выемках

мергели подвержены сильномувыветриванию:растрескиваются, разрыхляются и распадаются в щебень. Мергель является сырьем для портландцемента. Особенноценятсямергели Мархотскогохребта под Новороссийском, которыепослеразмола и обжига дают цемент высокого качества.

Кремнистые грунты сложены кремнеземом (опалом, халцедоном) химического и биогенного происхождения.

К ним относятся: диатомит, трепел, опока — легкие, тонкопористые породы, состоящие из опаловых скелетов диатомовых водорослей, мелких обломков опала и халцедона химического происхождения.

обводненности) и горнотехнические условия (размер, форма горной выработки, скорость проходки).

В реальных грунтовых массивах горное давление развивается неравномерно как по периметру выработки, так и во времени (рис. 82).

Рис. 82. Горное давление на крепь железнодорожного тоннеля в Югославии (по Г.С. Золотареву):

2–11 — домкраты плоские, d = 800 мм

Как правило, со временем, в процессе эксплуатации подземного сооружения,горноедавлениевозрастаетиможетдостигатьзначительных величин, иногда более 10 МПа (Северо-Муйский, Арпа-Севанс- кий 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, расслаиваниеи обрушение их. В полускальных глинистых грунтах (аргиллитах, алевролитах, мергелях) часто происходит взламывание и выдавливание их со стен выработки и ее почвы.

IV. совершенно неустойчивые и слабоустойчивые водообильные пески, катастрофический выброс плывуна, fкр = 0,3…1,0 — 80 %, fкр = 2…4 — 20 %;

V.слабойустойчивости—трещиноватыеграниты,сильныйкапеж

иструи, fкр = 1…2…4;

VI. среднейустойчивости—гранитыслаботрещиноватые,слабый

капеж, fкр = 2…4 — 30 %, fкр = 4…6 — 40 %.

В зависимости от степени устойчивости грунтов в тоннеле осуществлялось химическое закрепление их и проектировался тип обделки для каждой зоны устойчивости.

17.6. Горное давление в грунтовых массивах

Грунтыв условиях естественного залеганиянаходятся всостоянии всестороннего сжатия (напряжения). Напряженное состояние обусловлено:

—влиянием веса вышележащих грунтов;

—тектоническими силами;

—величиной температурных градиентов;

—геохимическими процессами в массиве.

Вприповерхностных слоях земной коры напряжение обусловлено главным образом весом вышележащих пород. На глубине 10–20 м напряжениесоставляет0,1–0,2МПа, 100–150мнапряжениесоставля- ет 2–3 МПа и на глубине 1000 м достигает от 20 до 30 МПа. При этом горизонтальнаясоставляющаянапряженийпревышаетвертикальную, особенновкристаллическихскальныхгрунтахгорноскладчатыхобластей.

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

До проходки горных выработок напряженное состояние грунтов уравновешиваетсясилами прочностипород. При проходкеподземной выработки происходитперераспределениенапряжений, чтоприводит

кдеформациям, разрушениямиперемещениямгрунтов, т.е.возникает взаимодействиегрунтов сгорной выработкой и ее крепью, проявляется горное давление.

Горное давление — давление, передаваемое горными породами при их перемещении на крепь, целики и стенки горных выработок. На развитиегорногодавления оказывают влияниегеологические условия (строение массива грунтов, их прочность, трещиноватость, степень

Цветдиатомитачащебелый, трепела—желтоватый,светло-серый. Породы залегают в форме пластов, линз. Характерной особенностью этихгрунтовявляетсявысокаяпористость(до80%),плотность—0,4– 1т/м3,пределпрочности всухомсостоянии5МПа,вводонасыщенном снижается до 0,1–0,6 МПа, коэффициент крепости около 1. Породы обладают высокой водопоглотительной способностью (прилипают к языку),всухомсостоянииявляютсяхорошимитепло-извукоизоляци- онными материалами. Используются для изготовления высокопористого кирпича, получения высокосортного цемента.

Яшма—плотныйтвердыйскальныйгрунт,состоящийизхалцедо- на с примесью глинистого вещества и окислов железа. Цвет краснобурый, зеленый, серый различных оттенков. Наиболее известны алтайские (зеленые) и уральские (красно-бурые) яшмы.

Структурныесвязипрочные,кристаллизационные.Обладаетвысо- койтвердостью.Плотность—2,7т/м3,пределпрочности100–200 МПа, коэффициент крепости 10–20.

Применяется в качестве облицовочного и поделочного материала. К полускальным грунтам относятсясульфатные:гипс, ангидрит, и галоидые:галит,сильвин (см.минералы). Залегаютони вформеслоев ижилвболеепрочныхскальныхгрунтах.Привзаимодействиисводой

растворяются с образованием пустот.

Их плотность составляет 2,0–2,8 т/м3, предел прочности 2–5 МПа. Их присутствие в толще грунтового массива значительно ослабляет его, что приводит к деформациям инженерного сооружения.

Глава 5. МЕТАМОРФИЗМ. МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ (СКАЛЬНЫЕ ГРУНТЫ)

5.1. Типы метаморфизма

Метаморфизм — эндогенный процесс преобразования горных пород под воздействием внутренних факторов Земли: высоких температур, давления, химически активных газов и гидротермальных растворов.

Взависимости отвоздействующегофактора различаюттипыметаморфизма:

1)термальный метаморфизм;

2)динамометаморфизм;

3)газово-гидротермальный метаморфизм;

4) региональный метаморфизм.

При термальномметаморфизмеизмененияпородпроисходятпод действием высоких температур на больших глубинах в недрах Земли илитемпературымагмы,внедрившейсявосадочныепороды.Врезультате действия высоких температур происходит перекристаллизация вещества исходных пород, образуются метаморфические породы с полнокристаллической структурой. Частным случаем термального метаморфизмаявляетсяконтактныйметаморфизм,например,привнедрении гранитной магмы в толщуизвестняков происходит изменение последних с образованием зон — контактных ореолов (рис. 10). В первой зоне, прилегающей к контакту, происходит наиболееглубокое изменение пород за счет привноса химических элементов из магмы. Образуются крупнокристаллические породы «скарны», содержащие гранаты, турмалины, руды меди, вольфрама, свинца, золото. По мере удаления от контакта образуется вторая зона — мрамора. В ней известняк приобрел полнокристаллическую структуру и превратился в мрамор.

Рис. 10. Зоны контактного метаморфизма:

1 — интрузия гранита; 2 — зона скарна; 3 — зона мрамора; 4 — известняк неизмененный; 5 — жила газово-гидротермального метаморфизма

По мере дальнейшего удаления в породах исчезает кристаллическая структура, наблюдается неизмененный известняк.

Динамометаморфизм обусловлен воздействием высокого давления толщи вышележащих пород на породы, залегающие на больших

Вблизи западного портала тоннеля между 52 и 60 пикетами в массивегранитовнаходитсяэрозионноеуглубление—Ангараканская депрессия—шириной 400 ми глубинойдо180 м. Депрессиязаполнена песчано-гравийными аллювиальными грунтами р. Ангаракан. В толще рыхлых песков залегают редкие линзы слабосцементированных галечников.

Ложем депрессии является зона дробления, по которой снизу происходит подток гидротермальных вод. Толща грунтов депрессии заполнена водой за счет атмосферных осадков. По классификации М.М. Протодьяконова прочностьоценивается коэффициентом крепо-

сти f = 0,3…1,0.

Впределах порталов тоннель пересекает верхнечетвертичные аллювиальныегрунты,представленныегравелистымипескамиисупесями, оцениваемыми коэффициентом крепости f = 0,3…1,0.

Такимобразом,наиболеесложныеинженерно-геологическиеусло- вия проходки Северо-Муйского тоннеля наблюдались на участках порталов (около 1 350 м), тектонических разломов и Ангараканской депрессии(400м).Интенсивнаятрещиноватостьгранитовобусловила образование многочисленных вывалов объемом от 200 до 4000 м3.

Вгидрогеологическом отношении грунтовый массив весьма неоднороден и вмещает трещинные, трещинно-жильныеподземныеводы

иводы,залегающиеваллювиальныхгрунтахречныхдолин.Статические запасы подземных вод массива характеризуются значительными объемами. Гидростатическоедавлениена глубине заложения тоннеля оценивалось до 55 атм., или 550 м водяного столба. Многочисленные трещины заполнены водой или водно-грунтовой плывунной массой. Привскрытии трещинподземнымивыработками (тоннелем,штольнями) происходили интенсивные водопритоки объемом от 100 до

6 800 м3/ч.

Взависимостиотстепенитрещиноватости,обводненностиикрепости грунтов пооси тоннеля выделялисьзоныразличной устойчивости грунтов. На западном участке тоннеля выделено 6 зон (рис. 81):

I. совершенно неустойчивые — аллювиальные водонасыщенные

грунты, fкр = 0,3…1,0;

II.устойчивыеисреднейустойчивостиграниты—слаботрещино-

ватые, сухие, fкр = 0,6…10 — 80 %, fкр = 2…6 — 20 %;

III. неустойчивые граниты — сильнотрещиноватые, сильный капеж и струи воды, fкр = 1…2;

глубинах. Это давление способствует уплотнению пород, уменьшению их объема.

Ещебольшее изменениепород происходитпод действиемодностороннего давления, обусловленного тектоническими движениями земной коры.Врезультатевоздействиянаправленногодавления(стресса) происходит перекристаллизация исходной породы, минералы ее принимают удлиненную форму и располагаются в плоскости, перпендикулярной направлению давления, породы приобретают сланцеватую текстуру.

Кроме того, динамометаморфизм проявляется в образовании трещин, дроблении породы и истирании минералов. В этом случаепрочнаяскристаллизационными связямипородапревращается вобломочную, скальный грунт (гранит) превращается в дисперсный (тектонит, милонит).

Газово-гидротермальный метаморфизмобусловлен воздействи-

ем выделяемых из магмы высокотемпературных газов и водных растворов на исходныепороды. Газы и водныерастворы под давлением проникают по трещинам в горные породы, привносят химические элементы, изменяют состав пород вдоль трещин на большом расстоянии от контакта с магмой (см. рис. 10). В результате происходит изменение минералогического состава пород: окварцевание (образованиекварцевыхжил),карбонитизация(жилкикарбонатов),обогащение ихпиритом. Такжеобразуютсягидротермальныеместорождения сульфидов меди, молибдена, свинца.

Региональныйметаморфизм—процессизменениягорныхпород на огромных площадях и больших глубинах в земной коре. Высокие температуры и тектонические движения воздействовали на разнообразныепороды в пределах огромных регионов и привели к глубокому их преобразованию(Скандинавский, Анабарский, Алданский щиты).

Таким образом, в результате различных типов метаморфизма из осадочных и магматических пород образуются метаморфические горные породы.

Форма залегания метаморфических пород соответствует форме залегания исходных пород (слой, пласт, линза, лакколит, дайка).

Врезультатеметаморфизмапроисходитперекристаллизациявещества исходной породы, обогащение ее новыми минералами и изменение текстуры.

Большинству метаморфических пород свойственна текстура сланцеватая, структура кристаллическая, структурныесвязикристаллизационные, т.е. эти породы относятся к классу скальных грунтов.

5.2.Характеристикаскальных метаморфических грунтов

Кнаиболее широкораспространенным метаморфическимпородам относятся:гнейс, кристаллическиесланцы, мрамор, кварцит, тектониты.

Гнейс — полнокристаллическая порода сланцеватой текстуры. Минералогический состав: кварц, полевые шпаты, роговая обманка, мусковит, биотит (т.е. как у гранита). Цвет серый, розовый — до черного.

Различаютразновидностигнейса:ортогнейс,образующийсявпроцессеперекристаллизации породгруппы гранитов, и парагнейс, образующийся в результате метаморфизма осадочных пород (полиминеральных песков, песчаников). Форма залегания гнейсов такая же, как

уисходных пород. Плотность — 2,7 т/м3. Предел прочности от 80 до 200 МПа, коэффициент крепости от 8 до 18. Прочность гнейсов зависит от степени рассланцовки. Парагнейс подвержен выветриванию с образованием дресвы, песка; ортогнейсы характеризуются повышенной прочностью и широко применяются в качестве облицовочного материала (каки граниты), бутовогокамня, щебня вдорожном строительстве.

Кристаллические сланцы представляют большую группу грунтов. Характерной особенностью их является отчетливая сланцеватая текстура и интенсивная рассланцовка (плитчатость). Образуются в результате термального динамометаморфизма различных по составу пород.

В зависимости от преобладающего в породе минерала выделяются разновидности:

— слюдяные сланцы — состоят из мусковита, биотита, кварца, образуются в процессе динамометаморфизма кварц-полевошпатовых пород,при этомполевыешпатыпереходятвмелкочешуйчатыймусковит;

— хлоритовыйсланец—состоитизхлорита,могутприсутствовать кварц, слюда, цвет зеленый;

— серпентиновый сланец — состоит из серпентина, асбеста, образуется в процессеметаморфизма оливиносодержащих магматических пород (дунита, пироксенита);