§ 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).

Элементы залегания пласта породы
Рис. 27. Элементы залегания пласта породы
Выработки вкрест простирания пласта
Рис. 28. Выработки вкрест простирания пласта

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.

Выработка по простиранию пласта
Рис. 29. Выработка по простиранию пласта

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.

Волков В.П., Наумов С.Н., Пирожкова А.Н., Храпов В.Г. Тоннели и метрополитены