Глава 4
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТОННЕЛЕЙ
§ 15. ЗАДАЧИ, СОСТАВ И МЕТОДЫ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ
Наземные инженерные сооружения имеют контакт с земной корой только в основании, поэтому свойства основания оказывают сравнительно небольшое влияние на конструкцию и методы постройки большей их части, расположенной выше земной поверхности. Тоннели и другие подземные сооружения закладывают в толще земной коры, и их конструкции, методы и средства постройки в большой мере зависят от свойств прорезаемого горного массива. Можно сказать, что весь ход сооружения тоннеля, его стоимость, сроки выполнения определяются в основном геологическими и гидрогеологическими условиями в которых сооружается тоннель.
В связи с этим большое значение для успешного хода строительства имеют инженерно-геологические исследования района, намеченного для строительства тоннеля. Геологическая экспертиза, обобщающая результаты этих исследований, должна дать ответ на все вопросы, интересующие строителей, предусмотреть трудности, которые могут возникнуть в процессе строительства и эксплуатации тоннеля, и рекомендовать наиболее благоприятное в геологическом отношении положение трассы. Ошибки или неправильные выводы экспертизы могут весьма неблагоприятно повлиять на ход, стоимость и сроки строительства, а также на условия эксплуатации тоннеля. Например, при строительстве самого длинного в мире Симплонского тоннеля строители неожиданно встретили пласты трещиноватых известняков с большим дебитом подземных вод (до 1,5 м3/с), области чрезвычайно сильного горного давления и высокую температуру выработки, на 17° С превышавшую температуру, определенную геологами. Связанные с этим изменения технологии тоннельных работ в сильной степени затруднили строительство.
В программу инженерно-геологического обследования района строительства тоннеля входят следующие виды работ:
- 1. Изучение имеющихся литературных и картографических материалов по топографии, геологии и гидрогеологии района.
- 2. Проведение инженерно-геологической съемки территории строительства, заключающейся в изучении обнажений земной коры, устойчивости грунтовых масс, мощности и химического состава источников, выходящих на поверхность, характера рельефа и т.п.
- 3. Назначение вариантов трассы тоннеля для детальных геологоразведочных работ.
- 4. Детальные глубинные геологоразведочные работы и гидрогеологические исследования с лабораторным изучением физико-механических свойств горных пород и химического состава подземных вод.
Наиболее распространенным и эффективным методом глубинного исследования горного массива является ударно-вращательное бурение скважин с отбором проб через 0,5 м в слабых породах и колонковое бурение со взятием керна в скальных породах.
При длине горного тоннеля до 200 м с земной поверхности бурят семь скважин, из которых три располагают по оси тоннеля, а четыре — на двух поперечниках. При большей длине тоннеля скважины располагают вдоль его оси через 150 м и через каждые 200 м — поперечники из двух скважин для изучения поперечного строения прорезаемого тоннелем массива. Во всех случаях у каждого из порталов дополнительно размещают по одному поперечнику.
Особенно серьезного внимания требуют буровые разведочные работы для проектирования и строительства тоннелей метрополитенов. При недостаточной изученности геологического строения массива вдоль трассы тоннеля проходческие работы связаны с опасностью осадок поверхности и расположенных в полосе строительства сооружений. Поэтому количество разведочных скважин увеличивают. На участках трассы с относительно простым геологическим строением должны быть пробурены три ряда скважин через 50 м один от другого; скважины в рядах располагают через 200 м в шахматном порядке. На участках трассы со сложным геологическим строением (карсты, оползни, размывы и т.п.) необходимо бурить пять рядов скважин через 25 м один от другого с расположением скважин в рядах через 50 м в шахматном порядке. В местах расположения станционных тоннелей метрополитена бурят шесть скважин.
Глубину скважин назначают на 6 м больше глубины заложения подошвы тоннеля, а в сложных геологических условиях скважины заглубляют на 2 м в пласт устойчивых пород, залегающих ниже тоннеля.
В начальной стадии изысканий для проектирования и технико-экономического обоснования решений проекта тоннеля бурят только часть (не менее 50%) скважин с учетом сложности условий в районе расположения последнего. Окончательное положение сооружений, типы конструкций и методы производства работ устанавливают по результатам разведочного бурения, выполненного в полном объеме.
Не менее 1/3 общего числа скважин оборудуют фильтрами. Из скважин производят пробные откачки с целью определения дебита, химического состава, температуры и колебаний уровня подземных вод, а также коэффициента фильтрации горных пород.
Полученные материалы дают, как правило, достаточное представление о геологии горного массива и режиме подземных вод, но не могут дать ответ на все вопросы, интересующие строителей.
Особенно ценные данные дают исследования, проводимые в выработках, заложенных по оси тоннеля. Такими выработками являются, например, направляющие штольни, проходимые от порталов, из стволов вертикальных шахт или через штольни-«окна» (см. § 43).
В штольнях измеряют действующее горное давление, определяют механические и упругие характеристики горных пород, приток подземных вод, температуру выработки и уточняют другие необходимые для проектирования и постройки тоннеля данные.
При значительной глубине заложения тоннеля проведение детального геологического исследования усложняется, так как бурение скважин со взятием образцов при глубине более 300 м становится трудновыполнимым и требует много времени.
В этом случае приходится прибегать к геофизическим методам разведки, дающим представление о строении горного массива косвенным путем в результате измерения различных физических величин. Так, электрометрия дает возможность выполнять бурение без отбора проб, что значительно ускоряет процесс бурения. Метод электрометрии основан на учете различной величины электрического сопротивления горных пород. Применение сейсмометрии основано на измерении скорости распространения ударных волн в горном массиве по разным направлениям. При этом учитывается зависимость скорости распространения ударных волн от физико-механических свойств различных горных пород.