§ 16. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТОННЕЛЕЙ (ч. 2)
Геология. В геологическом разделе пояснительной записки должны быть освещены условия залегания и напластования горных пород, характер дислокационных явлений, физико-механические свойства горных пород.
Изучение этих вопросов необходимо для выяснения вероятных мест повышенного притока подземных вод, характера и величины горного давления» определяющего форму и несущую способность тоннельной обделки, а также методов работ по проходке тоннеля.
Характер залегания пластов оказывает существенное влияние на условия разработки породы, величину притока воды, устойчивость горного массива и выбор рационального способа проходки. В однородных массивных породах проходка осуществляется проще, скорее и дешевле, чему способствуют большая устойчивость этих пород, однообразие способов и приемов работы. Слоистость и сланцеватость тем неблагоприятнее, чем более они выражены и чем меньше толщина слоев.
Положение пласта в пространстве (рис. 27) характеризуется углами падения и простирания. Углом падения α называют угол, составляемый плоскостью пласта с горизонтальной плоскостью, а углом простирания β — угол, составляемый линией простирания с меридианом.
Наиболее благоприятным является горизонтальное залегание пластов (α = 5—10°) при отсутствии скользящих прослоек.
В крепкой скале, сложенной из толстых пластов, можно оставлять без крепи выработки с плоской кровлей пролетом до 3—4 м. Придав кровле сводчатое очертание, можно оставлять без крепи выработки значительно больших пролетов.
Наличие наклонных пластов ухудшает условия, в которых находится тоннельное сооружение. Если тоннель проходит вкрест простирания (т.е. его ось составляет с линией простирания угол около 90°) при крутом падении пласта (α = 60—90°), то выработка находится в благоприятных условиях, так как пласт ослабляется сравнительно незначительно, отдельные пласты устойчивы независимо один от другого и раскрытие выработки возможно на довольно большом протяжении, особенно если имеется связь между пластами (рис. 28, а).
При пологом падении пласта (рис. 28, б) выработка пересекает его на большем протяжении и более вероятно образование местных вывалов.
Значительно менее благоприятен случай совпадения линии простирания с осью выработки (рис. 29). При этом пласты породы полностью подрезаются выработкой, и, если между пластами отсутствует надежная связь, неизбежно выпадание из стен и кровли выработки глыб, отделенных трещинами. В этих условиях рекомендуется ограничить длину раскрываемой выработки и разрабатывать ее отдельными кольцами.
Крутое положение пластов способствует проникновению воды к выработке, особенно если угол между осью тоннеля и линией простирания невелик.
Совершенно иными бывают поведение горных пород и режим подземных вод в местах дислокаций земной коры, т.е. в местах тектонических изменений. Их влияние на величину горного давления и притока воды будет рассмотрено ниже при изложении вопроса о прогнозе горного давления.
Физико-механические свойства горных пород чрезвычайно разнообразны. Свойства сыпучих и пластичных пород изучаются в механике грунтов, плывунные породы можно рассматривать как тяжелые жидкости. В последующем заложены основные свойства лишь скальных пород, в которых наиболее часто сооружают тоннели.
Прочность породы на сжатие зависит от минералогического состава, структуры и пористости, рода цемента между зернами и степени выветрелости. Наиболее прочны кристаллические невыветрелые породы с равномерной мелкозернистой структурой, зерна которых спаяны или соединены кремнеземнистым цементом. Трещины в значительной степени ослабляют сопротивление породыразрушению. Поэтому различают прочность породы (кубиковая прочность) и прочность горного массива.
Испытания на сжатие делают в условиях одноосного напряженного состояния. При невозможности поперечной деформации сопротивление породы сильно возрастает. Под большим всесторонним давлением горные породы приобретают пластические свойства, вторые, однако, находятся в скрытом виде и могут проявиться, если порода получит возможность свободного расширения в каком-либо одном направление. Глубины, на которых может возникнуть давление, необходимое для пластического преобразования горных пород, еще не достигнуты.
Сопротивление горных пород растяжению значительно меньше сопротивления сжатию и составляет от него 3—5%. Наименьшее сопротивление разрыву оказывают породы крупнокристаллической структуры.
Горные породы не подчиняются закону Гука, т.е. между их относительными деформациями и соответствующими напряжениями существует зависимость более сложная, чем линейная. Однако при сравнительно невысоких напряжениях, с которыми приходится иметь дело при сооружении тоннелей, считают возможным рассматривать породы как линейно деформируемые, т.е. обладающие постоянным модулем общей деформации (Е0). Для различных пород модуль общей деформации изменяется в весьма широких пределах, коэффициент поперечной деформации μ0 изменяется от 0,1 до 0,45. Обе характеристики могут быть определены лабораторным путем, однако их использование при статическом расчете конструкции подземных сооружений, работающих совместно с окружающими породами, затруднено, так как свойства породы, определенные при испытании небольшого образца, как правило, сильно отличаются от аналогичных свойств породного массива, сложенного из отдельных пластов и ослабленного трещинами.
Твердость породы определяет скорость бурения шпуров при буро-взрывных работах. Она может быть охарактеризована с помощью шкалы твердости Мооса лишь ориентировочно, так как порода состоит из минералов с различными свойствами. Наиболее целесообразно оценивать твердость по буримости, т.е. по времени бурения 1 пог. м стандартного шпура, как это принято в действующей классификации горных пород по разрабатываемости (см. § 48).
Большое влияние на прочность, устойчивость и водопроницаемость пород оказывает их трещиноватость. В соответствии со СНиП II-Д.3-68 степень трещиноватости характеризуется расстоянием между трещинами и объемом блоков породы, образующихся в результате их пересечения. По этим признакам породы делят на три категории (табл. 3).
Таблица 3
Степень трещиноватости горных пород
Породы | Расстояние между трещинами, м | Объем блоков, м3 |
Слабо трещиноватые Трещиноватые Сильно трещиноватые |
0,5 0,25—0,5 0,25 |
0,1 0,01—0,1 0,01 |
При более частых трещинах, расположенных в нескольких направлениях, породы считают раздробленными.
Слоистость ведет к понижению устойчивости горного массива вследствие ослабления связи по швам (в особенности если они заполнены веществом, размягчающимся под действием воды) и возникновению одностороннего давления на тоннельные конструкции.
Сопротивление пород действию воды, атмосферных агентов (топливные газы, низкая температура и т.п.) и микроорганизмов характеризуется растворимостью, размягчаемостью и погодостойкостью.
К сильно растворимым породам относят химические осадочные породы (гипс, ангидрит). Растворимы, но в меньшей степени осадочные карбонизированные породы (известняк, доломит, мергель). Растворимость породы имеет большое значение для решения вопроса о возможности проведения дренажных мероприятий за тоннельной обделкой.
Размягчаемостью называют отношение прочности на сжатие образца, насыщенного водой, к прочности воздушно-сухого образца. Кристаллические невыветривающиеся породы мало поддаются размягчению. Их размягчаемость редко бывает ниже 0,9. Размягчаемость является признаком сильной выветрелости и особенно велика у глинистых пород.
Морозостойкими являются породы, поры которых заполнены водой не более чем на 70—80% (с учетом возможности их неравномерного распределения, так как вода при замерзании расширяется примерно на 10%). Наличие частиц слюды понижает морозостойкость.
Условием погодостойкости, позволяющей оставить выработку без обделки, является равномерность и мелкозернистость сложения, правильное распределение пор, твердость, морозостойкость и неразмягчаемость цемента (лучший цемент — кремнеземистый), отсутствие частиц слюды.