699

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

С.И. ЧЕРНОУСОВ

ГРУНТОВЫЙ МАССИВ. ГРУНТЫ. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТОННЕЛЯХ

Учебное пособие

НОВОСИБИРСК 2010

ВВЕДЕНИЕ

Тоннели, метрополитены и другие подземные сооружения возводятся в толще горных пород на значительных глубинах земной коры. Горные породы в этом случае являются конструктивной частью подземных сооружений, влияющей на их эксплуатацию. Поскольку в строительной практике все горные породы

всфере инженерного сооружения называются грунтами, вводит-

ся понятие грунтовый массив.

Инженерно-геологические свойства грунтовых массивов характеризуются высокой степенью сложности и существенно влияют на строительство подземных сооружений и их эксплуатацию.

Впособии дается понятие о грунтовом массиве, о его структуре, сейсмичности. Приведены характеристики физико-механи- ческих свойств грунтов, их трещиноватость. Охарактеризована обводненность грунтового массива и устойчивость грунтов в подземной выработке. Приведено понятие о горном давлении в грунтовом массиве и охарактеризованы геологические процессы

втоннелях.

Приложениепосвященоинженерно-геологическойоценкегрун- товых массивов ряда районов России, в нем приведены утвержденные условные графические обозначения основных видов грунтов.

1. ГРУНТОВЫЙ МАССИВ

Под грунтовым массивом понимают часть земной коры, находящейся в сфере инженерного воздействия — строительства и эксплуатации подземного транспортного сооружения.

3

Изучение массивов грунтов в настоящее время имеет большое значение «в связи с решением целого ряда транспортных задач, со строительством глубоких тоннелей и других сооружений» [1,

с. 70].

Кинженерно-геологическимособенностяммассива,определя- ющим поведение его при взаимодействии с инженерным сооружением, относятся:

—тектоническое строение массива, сейсмичность;

—грунты, слагающие массив, их физико-механические, агрессивные свойства;

—трещиноватость грунтов;

—обводненность массива, агрессивность подземных вод;

—горное давление;

—инженерно-геологические процессы в массиве.

1.1. Структура грунтового массива

Структурагрунтовогомассивапредставленакомплексомгрунтовразличногопроисхожденияи взначительнойстепенизависит от тектонических условий территории земной коры.

Врезультате тектонического развития сформированы тектоническиеэлементыземнойкоры: платформыигорно-складчатые области.

Платформы являются крупнейшими структурными элементами, относительно устойчивыми территориями земной коры. Они характеризуются равнинным рельефом, в их пределах происходят современные медленные вертикальные колебательные движения, сейсмичность не более пяти баллов.

Впределах платформ грунтовые массивы состоят из серии горизонтально залегающих и слабонаклоненных слоев осадочных горных пород кайнозойского и мезозойского возраста.

Ввещественном составе массивов преобладают дисперсные грунты: пески, глинистые грунты — глины, суглинки, супеси, крупнообломочные —галечники, гравий, реже—полускальные грунты карбонатного состава — известняки.

Примером грунтовых массивов, расположенных в пределах платформ, являются массивы г. Омска, Москвы, Санкт-Петер- бурга, Нижнего Новгорода.

4

Горно-складчатыеобласти—подвижныетерриторииземной коры, характеризуются резкорасчлененным горным рельефом, активной тектонической деятельностью и современной сейсмичностью до 11 баллов. В строении грунтовых массивовпреобладают скальные грунты: осадочные сцементированные, метаморфические и магматические.

Слоиосадочныхиметаморфическихгрунтовсмятывскладки, залегают в виде моноклиналей и складок.

Моноклиналь представляет собой структуру, состоящую из пачки слоев, наклоненных в одну сторону (рис. 1.1). Различают моноклинали слабонаклоненные (с углом наклона от 0 до 16°), крутые (76–81°) и даже поставленные на голову (угол наклона к горизонту 81–90°).

Рис. 1.1. Складчатые дислокации:

М — моноклиналь; А — антиклиналь; С — синклиналь

Складки пластов различают антиклинальные и синклинальные. Антиклиналь — складка, в ядре которой находятся более древние пласты, обращена вершиной вверх, у поверхности

Земли располагаются древние породы.

Синклиналь — складка, вершина которой обращена книзу, у поверхности Земли располагаются более молодые породы.

Ввершинах замков складок (в антиклиналях и синклиналях) породы интенсивно раздроблены, трещиноваты.

Слои пород, расположенные между антиклиналью и синклиналью, называются крыльями, слагающие их грунты более монолитные.

Встроении грунтовых массивов горно-складчатых областей часто принимают участие магматические породы, как интрузивные (граниты, диориты и пр.), так и эффузивные (базальты,

5

диабазы и др.). Залегают магматические породы в толще метаморфическихиосадочных породвформе даек,жил,лакколитов, штоков, значительно усложняя напряженное состояние массива. В некоторых случаях грунтовый массивможет состоять целиком из магматических пород (Северо-Муйский массив).

Инженерно-геологические условия грунтовых массивов гор- но-складчатых областей существенно усложняются наличием разрывных дислокаций. Разрывные дислокации произошли при интенсивных тектонических давлениях, превышающих прочность горных пород.

Врезультате грунтовый массив оказывается разбитым тектоническими трещинами, разломами, по которым произошло смещение блоков грунтов по отношению к соседним. К разрывным дислокациям относятся сбросы, взбросы, грабены, горсты и надвиги. Величина смещения блоков грунтов относительно друг друганазываетсяамплитудой, онаможет изменяться от нескольких сантиметров до 1000 м. Наличие дислокаций осложняет инженерно-геологические условия грунтового массива. Наблюдается неоднородность грунтов по оси тоннелей, встречаются трещины и крупные зоны тектонических разрывов, по которым происходят вывалы, обрушения блоков грунтов и прорывы подземных вод.

Вцелях предотвращения опасных процессов в массиве грунтов при инженерно-геологических изысканиях определяют ориентировку залегания слоев грунтов и тектонических трещин (разломов) в пространстве. Определяются следующие элементы залегания:

— азимутлинии простирания—направление линиипересечения поверхности слоев грунта (стенки трещины) с горизонтальной плоскостью;

— азимут линии падения — направление падения пласта (трещины),ориентирован перпендикулярно к линиипростирания;

— угол падения —угол наклонапласта(трещины) к горизонтальной поверхности, измеряется в градусах от 0 до 90°.

Элементы залегания пластов (трещины) определяются при помощи горного компаса.

6

1.2. Геотермические условия грунтового массива

Температура грунтового массива на глубинах проходки подземных сооружений определяется климатическими условиями района,глубиной заложения итектоническогостроениямассива. В грунтовом массиве ниже глубины сезонного колебания температуры (20 — 30 м) происходит увеличение температуры за счет внутреннего тепла Земли. Это тепло в верхней зоне земной коры генерируется в породахзасчетрадиоактивного распадасодержащихся в них радиоактивных элементов. Из недр Земли к поверхности происходит движение теплового потока. Величина теплового потока в пределах Сибири изменяется от 30 до

117 мВт/м2 [2] (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Средние значения теплового потока в районах Сибири и Камчатки (по Н.А. Добрецову и А.Г. Кирдяшкину)

Минимальные значения характерны для территории платформ и максимальные для глубоких тектонических рифтовых зон (Забайкалье).

Для оценки интенсивности увеличения температуры с глубиной используются следующие показатели: геотермический градиент — изменение температуры в градусах на каждые 100 м глубины и геотермическая ступень — глубина в метрах, при которой температура повышается на 1 °С. Среднее значение геотермической ступени в пределах платформ составляет около 33 м, в горно-складчатых областях уменьшается до 10–20 м, а вблизи тектонических разломов — до 1–3 м (табл. 1.2).

ТемпературуТн грунтанаглубиневыработкиНопределяютпо формуле

7

Tн tв H h, G

где tв — средняя температура воздуха; h — глубина слоя постоянных годовых температур; G — геотермическая ступень, м на 1 °С.

Таблица 1.2

Значение геотермических градиента и ступени на территории России

Учетувеличения температурывгрунтовоммассивесглубиной имеетбольшоепрактическое значение пристроительствеподземных сооружений. Так, при проходке Северо-Муйского тоннеля температура достигала 40 °С, а при строительстве Симпланского тоннеля в Швейцарии наглубине 2690 м температура составляла

50°С, что существенно осложняло строительные работы. Высокиетемпературывмассиве грунтовобуславливаютповы-

шение температуры подземных вод, что, в свою очередь, значительно повышает их разрушительную агрессивность по отношению к строительным конструкциям сооружения.

1.3. Сейсмичность грунтовых массивов

Существенно усложняют инженерно-геологические условия грунтовых массивов в горно-складчатых областях землетрясения — современные тектонические процессы. Во всех случаях землетрясений их гипоцентры приурочены к глубоким тектоническим разломам, подвижным внутриконтинентальным рифтовым зонам и контактам литосферных плит.

Сила землетрясений (интенсивность), мм/с2, оценивается по величине максимального ускорения частиц грунта:

max 4 2 TA2 ,

8

где А — амплитуда колебания частиц грунта, мм; Т — период колебания, с. А и Т снимаются с сейсмограммы.

По величине максимального ускорения частиц определяется коэффициент сейсмичности:

Kc max .

g

Взависимостиот величины максимального ускорения колебания частиц грунта и степени разрушения инженерных сооружений для оценки силы землетрясений в России с 1964 г. применяется 12-балльная шкала MSK-64.

Впоследнее время общепринятой в мире является шкала Рихтера,по этойшкалеинтенсивностьземлетрясенийоценивается величиной энергии, выделяемой в гипоцентре, которую называют магнитудой:

M lg Amax ,

Aэт

где Amax — максимальная амплитуда смещения частиц грунта, определяемая по сейсмограмме; Аэт — эталонная амплитуда смещения частиц грунта при очень слабом землетрясении.

Магнитуда измеряется от 0 до 8,8 при катастрофических землетрясениях.

К сейсмическим территориям относятся горно-складчатые области с сейсмичностью 6 и более баллов по шкале MSK-64 (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Соотношение интенсивности землетрясений по шкале MSK-64 и шкале Рихтера

9

Врайонах с сейсмичностью 7 и более баллов проектирование

истроительство ведется в соответствии со СНиП 11-7–81.

На территории России к сейсмическим районам относятся горно-складчатые области: Урал, Северный Кавказ — 8 баллов, Камчатка, Сахалин, Чукотка — 9 баллов, Горный Алтай, Саяны — 10 баллов.

Наибольшей сейсмической активностью на территории России характеризуется Байкальская рифтовая зона, которую пересекает Байкало-Амурская железнодорожная магистраль. Здесь за последние 300 лет произошло несколько катастрофических землетрясений, в том числе в 1725 г. 12-балльное [3].

Сейсмичность грунтовых массивов в значительной степени зависит от скорости прохождения сейсмических волн, а следовательно, от свойств грунтов, слагающих массив (табл. 1.4).

Большое значение на формирование сейсмических свойств оказывает особенность литологического состава поверхностной зоны грунтового массива мощностью до 30 м. Более древние грунтывысокойплотностихарактеризуютсявысокимискоростями сейсмических волн.

Максимальное приращение балльности имеют обводненные грунты.

Интенсивность колебаний частиц грунта при землетрясениях зависит от рельефа грунтового массива. На склонах массива, обрывистых берегах, откосах выемок наблюдаются более интен-

1 0