Содержание к диссертации
Введение
1. Характеристика горно-геологических условий возведения подземных сооружений в г. Москве 8
1.1. Краткий обзор состояния подземного строительства в г. Москве 8
1.2. Стратиграфия и литология 15
1.3. Условия залегания и трещиноватость пород 15
1.4. Гидрогеологические условия 25
1.5. Инженерно-геологические условия 30
2. Инженерно-геологическая типизация массивов горных пород применительно к строительству и эксплуатации подземных сооружений в г. Москве 53
2.1. Характеристика особенностей геологического разреза объектов исследований 53
2.2. Типизации массивов горных пород, вмещающих горизонтальные выработки подземных сооружений 61
2.3. Характеристики выявленных типов массивов и оценка эффективности способов проведения горизонтальных горных выработок 74
2.3.1. Массив сложен раздельнозернистыми породами 74
2.3.2. Массив сложен глинистыми породами 75
2.3.3. Массив двухслойный - глинистые породы сверху, раздельнозернистые - снизу 77
2.3.4. Массив двухслойный - раздельнозернистые породы сверху, глинистые снизу '. 77
2.3.5. Массив многослойный - представлен чередованием раздельнозернистых и глинистых пород 78
2.3.6. Массив сложен карбонатными породами 78
2.3.7. Массив двухслойный - раздельнозернистые породы сверху, карбонатные - снизу 80
2.3.8. Массив двухслойный - карбонатные породы сверху, раздельнозернистые - снизу 81
2.3.9. Массив двухслойный - глинистые породы сверху, карбонатные - снизу 82
2.3.10. Массив двухслойный - карбонатные породы сверху, глинистые - снизу 82
2.3.11. Массив многослойный - представлен чередованием глинистых и карбонатных пород 83
2.3.12. Массив многослойный - представлен чередованием раздельнозернистых, глинистых и карбонатных пород 83
2.3.13. Массивы техногенных образований 84
2.4. Оценка относительной сложности условий проведения горизонтальных горных выработок в выделенных типах массивов горных пород на территории г.Москвы 84
3. Исследования изменений гипсометрии глинистых отложений и уровней подземных вод в геологическом разрезе г. Москвы 95
3.1. Цель и задачи исследований 95
3.2. Прогноз инженерно-геологических условий проведения горных выработок в зависимости от обводненности горных пород 97
3.3. Определение значений уклонов залегания кровли и почвы пластов слабопроницаемых пород и зеркала подземных вод 103
3.4. Апробация результатов определения значений уклонов залегания элементов ограничения пластов слабопроницаемых пород и зеркала подземных вод 118
3.5. Результаты исследований характеристик изменчивости залегания кровли (почвы) слабопроницаемых пород и зеркала подземных вод 123
3.6. Методика прогноза инженерно-геологических условий проведения горизонтальных и наклонных горных выработок подземных сооружений с учетом способа производства работ 132
4. Использование результатов исследований при разработке ТЭО строительства коллекторов глубокого заложения на участке Черкизово-Перово в г. Москве 138
4.1. Общие сведения о подземном сооружении и о разведанности трассы 138
4.2. Оценка инженерно-геологических условий сооружения коллектора 143
4.3. Оценка степени разведанности трассы 153
4.4. Оценка условий строительства КТГЗ с учетом изменения отметок его заложения и типа массива разрабатываемых пород 157
4.5. Применение опережающего бурения для доразведки при проведении горизонтальных горных выработок подземных сооружений 158
4.6. Мониторинг состояния массива горных пород 161
Выводы 167
- Условия залегания и трещиноватость пород
- Характеристики выявленных типов массивов и оценка эффективности способов проведения горизонтальных горных выработок
- Определение значений уклонов залегания кровли и почвы пластов слабопроницаемых пород и зеркала подземных вод
- Оценка инженерно-геологических условий сооружения коллектора
Введение к работе
Актуальность работы. Город Москва, один из крупнейших мегаполисов мира, интенсивно развивается в последние годы, что обусловлено его расположением, плотностью застройки, численностью коренного населения и приезжих, количеством автотранспорта, инженерной инфраструктурой и высокой техногенной нагрузкой. Подобная ситуация порождает необходимость освоения подземного пространства города. Предусматривается дальнейшее строительство метрополитена, коллекторов подземных коммуникаций, подземных пешеходных переходов, сооружение магистральных трубопроводов водо-, газо- и теплоснабжения; строительство коммуникационных тоннелей, заглубленных гаражей, автотранспортных тоннелей и развязок под площадями города и т.д.
Строение геологического разреза территории города, обводненность горных пород, некоторые недостатки нормативной документации по инженерно-геологическому изучению условий их производства и, в отдельных случаях, нарушение строительных технологий работ, а также недостаточный контроль со стороны геологической службы предопределили возникновение ряда аварий, связанных с природными и техногенными перемещениями подземных вод и плывунов. Изложенное свидетельствует об актуальности темы диссертации и соответственно необходимости разработки методов прогноза и контроля состояния горизонтальных горных выработок, сооружаемых в сложных инженерно-геологических условиях города Москвы.
Целью работы является разработка методов прогноза и контроля состояния геологической среды, обеспечивающих безаварийные возведение и эксплуатацию разнообразных горизонтальных подземных выработок в городских условиях.
Идея работы заключается в установлении связей между инженерно-геологическими характеристиками массива горных пород, технологическими
характеристиками подземных сооружений и способами их возведения для обоснования методов прогноза и контроля состояния геологической среды.
Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:
1. Определение пространственной ориентации горизонтальных горных
выработок подземных сооружений следует производить с учетом
выполненной типизации геологического разреза по литолого-
технологическим признакам, согласно которой в пределах разреза выделено
12 природных и 5 природно-техногенных типов массивов горных пород и от
2 до 4 подтипов в каждом из них.
2. Прогноз инженерно-геологических условий проведения
горизонтальных горных выработок подземных сооружений должен
базироваться на совокупном учете природных и технологических факторов,
включающих уклоны кровли (почвы) и градиенты уровней (напоров)
подземных вод в окрестности выработки, методы и способы проведения
выработок, габариты подземного сооружения и уклоны их заложения.
3. Изменчивость условий залегания глинистых отложений в пределах
площади города целесообразно оценивать с использованием составленной
план-схемы территории г.Москвы
4. При выборе трасс горизонтальных подземных сооружений
рекомендуется использовать разработанную методику прогноза инженерно-
геологических условий, позволяющую: составлять количественную оценку
степени разведанности трасс; обоснованно отстраивать поперечные профили;
устанавливать возможность использования полученных ранее данных по
инженерно-геологическим скважинам; определять направление и глубину
бурения опережающих шпуров при проведении выработок под защитой
предохранительных целиков.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются: использованием представлений инженерной геологии массивов горных пород при разработке типизации
массивов, вмещающих горизонтальные горные выработки подземных сооружений; представительным объемом геологической документации по действующим и проектируемым подземным объектам при установлении зависимостей между уклонами водоупорных пластов и обводненностью горных пород, позволяющих выбирать оптимальные технологические схемы проведения горных выработок; результатами апробации полученных аналитических соотношений, показавшими высокую надежность, что позволило ввести количественную оценку достоверности и доли риска пользования зависимостями.
Научное значение работы:
разработана методика выбора оптимального варианта пространственной ориентации горных выработок и адекватного геологическим условиям способа производства горно-проходческих работ;
прогноз инженерно-геологических условий строительства и
эксплуатации подземных сооружений выполняется с использованием
предложенных зависимостей для количественной оценки
геоморфологических характеристик слоев глинистых пород - водоупоров;
разработана методика прогноза инженерно-геологических условий строительства и эксплуатации подземных сооружений, установлены на основе анализа данных многолетних исследований инженерно-геологические характеристики горных пород при минимальном объеме новых инженерно-геологических изысканий.
Практическое значение работы заключается в возможности выполнять проектирование подземных сооружений с использованием уточненных инженерно-геологических характеристик горных пород, типа массива и используемой технологии производства горно-строительных работ.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанная методика прогноза инженерно-геологических условий подземного сооружения используется Мосинжпроектом при проектировании трассы
коллектора между Черкизовской и Перовской насосными станциями в г.Москве и при проведении горизонтальных выработок по бестраншейным технологиям (горизонтальное направленное бурение, микротоннелирование) фирмой «КапСтройТраст».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на симпозиуме «Неделя горняка» в МГТУ в 1997 и 2001 гг., на научно-практической конференции «Потенциал Московских вузов и его использование в интересах города» в Государственном Университете по землеустройству, Москва, 1999 г., на семинарах кафедр ФГП и геологии МГТУ (2001-2003 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 63 наименований, содержит 27 рисунков, 40 таблиц.
Автор глубоко признателен проф. Г.Н.Харитоненко и проф. В.С.Зайцеву за ценные советы и внимание к работе.
Условия залегания и трещиноватость пород
Согласно геофизическим исследованиям, в кристаллическом фундаменте Московского артезианского бассейна в пределах территории города выделяют ряд разломов с амплитудой смещения до 2,5 км, разделяющих его на крупные блоки, которые образуют узкую впадину - Московский грабен глубиной 2 км [22,26]. Девонские отложения залегают несогласно с подстилающими их образованиями. Каменноугольные отложения залегают несогласно с девонскими, простирание их с.-з. и ю.-в., падение с.-в. Они разбиты на блоки, которые классифицируются по их размерам - от 60 до 0,3 км (по модели М.А.Садовского). Ширина разуплотнения швов составляет от 2 - 4 до 0,02 км. В осадочном чехле каменноугольного возраста по кровле верейского горизонта выделена флексура со смещением до 30 м, простирающаяся на юг параллельно и рядом с северным разломом Подмосковного авлакогена: выделяется Московская зона поднятия - западная часть города, амплитуда 17 м. В подошве Воскресенских глин выделены поднятия и понижения. Эти образования изометричной в плане формы с размерами осей: больших до 4 км, малых до 1 км; амплитуда смещения их крыльев 6-10 м. Поднятия и понижения располагаются в пределах среднего течения реки Москвы. Поднятия имеют названия: Октябрьско-Шелепихинское, Ходынское, Краснопресненское, Саввинско-Бережковское, Дербеневское, Садовническое; понижениям: Ходынское, Ипподромное, Арбатское, Замосквореченское.
Тектонические условия массива горных пород способствовали развитию закономерной трещиноватости пород - диагональной и ортогональной. Изучение ее в естественных обнажениях характеризуется показателями, приведенными в табл. 1.3.1 [1]. Анализ свидетельствует, что на удаленных участках, в пределах одного горизонта, розы трещиноватости по показателям либо совпадают, либо близки между собой; более четко выражены лучи диагональной системы. Ориентировка лучей в розах для разных горизонтов отличается незначительно. Степень раскрытия трещин различная, более 0,5 - 1 мм и при цементации пород обеспечивает прием цементного молока. Мезо-кайнозойские отложения залегают несогласно на каменноугольных образованиях, углы залегания пород от 0 до 5, в местах эрозионных образований - существенно больше. В Оксфордском ярусе наблюдаются зеркала скольжения под углами 45 и 90 к вертикальной оси.
Эрозионные процессы на территории города формировали условия залегания пород мезо-кайнозойского возраста и происходили в доюрский, доледниковый и средне-плейстоценовый периоды [23]. Величина денудационного среза для первых двух составила соответственно до 40 и 150 м и выразилась в образовании палеодолин и оврагов, имеющих сложный рисунок в плане; ориентированы они преимущественно с северо-запада на юго-восток. Значительные по объему исследования эрозионных процессов, развивающихся в массивах горных пород, выполнены Киянцом А.В. [Ильин А.И., Будков В.П., Киянец А.В., Цыкина B.C. Оценка устойчивости откосов на основе инструментальных наблюдений и реологических исследований.// Управление геомеханическими процессами на горнодобывающих предприятиях МЧМ СССР. Тематический сборник трудов. Белгород, ВИОГЕМ, 1986, с. 5-9]. Для центральной части города площадью 10x8 км составлена карта районирования по геологическому строению и условиям взаимосвязи водоносных горизонтов в М 1:10000 [авторы: Кутепов В.М., Анисимов Н.Г., Кожевникова И.А. и др.]. Необходимость в подобной документации объясняется авариями, которые происходили при вскрытии горными выработками па-леодолин, заполненных обводненным песчано-глинистым материалом. Работ по картированию других участков города продолжаются. Борта эрозионных образований вскрывают водоносные горизонты, определяя тем самым направление фильтрации подземных вод - восходящее либо нисходящее. Это явилось основанием выделения двух типов геологического строения в плане: планово-неоднородного, приуроченного к участкам отсутствия юрских глин, грунтовый водоносный горизонт залегает на известняках или глинах каменноугольного возраста; планово-однородный тип, распространенный на участках залегания юрских глин, отделяющий верхний водоносный комплекс от нижнего - каменноугольного (рис. 1.3.1) [23].
Распространение пород четвертичного возраста в плане изометричное при их озерно-болотном происхождении и линейно-вытянутое для аллювиальных, моренных и флювиогляциальных отложений. Оно часто нарушено глубокими размывами современных водотоков (рис. 1.3.1). Выклинивание пластов и линз пород характеризуется значениями уклонов для кровли до десятых долей единицы. На водораздельных участках значения уклонов минимальные, а вблизи водотоков - максимальные, составляя на эрозионных участках десятые доли единицы (рис. 1.3.2, 1.3.3) [16,23], условные обозначения общепринятые. Залегание пород юрско-мелового возраста также близко к горизонтальному. При этом отличительной чертой является выдержанность и распространенность пластов в плане. Максимальные значения уклонов залегания характерны для участков, примыкающих к руслам рек Москвы и Яузы, где юрские и меловые отложения, а также отложения карбона размыты. Наибольший практический интерес представляет оценка количественных показателей, характеризующих условия залегания пород в верхней части геологического разреза территории города, как наиболее осваиваемой и определяющей технологию ведения горнопроходческих работ.
Характеристики выявленных типов массивов и оценка эффективности способов проведения горизонтальных горных выработок
В геологическом разрезе города раздельнозернистые породы представлены разнозернистыми гравелитами и тонко-, средне- и крупнозернистыми песками четвертичного, мелового и юрского возраста. В зависимости от степени неоднородности и крупности зерен коэффициенты фильтрации изменяются от 1 до 25 м/сут. Мощность массива на юге, западе и северо-востоке территории города достигает несколько десятков метров; максимальная мощность на юго-западе составляет 48-52 м [1, 17, 19]. По минеральному составу раздельнозернистые породы - кварцево-полевошпатовые, могут быть слюдистые, с включениями органики, глинистые; цвет - белый, желтый, бурый, серый и темно-серый, причем в большей мере определяется генезисом породы [5,25]. Проведение горных выработок на глубине до 18 м в породах с коэффициентом фильтрации в пределах от 1 до 5 м/сут осуществляют с использованием эжекторных иглофильтров; при коэффициенте фильтрации 5-10 м/сут и глубине заложения выработки до 6 м - целесообразны легкие игло-фильтровые установки; при коэффициенте фильтрации больше 10 м/сут и мощности толщи более 10 м применяют водопонизительные скважины [47,57]. Прогноз возможных деформаций, связанных с фильтрационной консолидацией массива, выполняется по методике А.М.Гальперина [6,7]. В обводненных массивах, представленных породами раздельнозерни-стыми с прослоями глинистых, применяются специальные способы: замораживание, «стена в грунте», химическое укрепление, забивная крепь с приза-бойным водоотливом [46,49,56]. Характерно, что во всех случаях обязательно неглубокое залегание подстилающего водоупора.
Состав подземных вод в массивах этого типа очень пестрый: природные воды хорошего качества, пресные (до 500 мг/л), гидрокарбонатного и кальциевого состава, нейтральные [26]. Техногенное влияния чаще всего сказывается в повышении минерализации, отрицательно влияющей на замораживание пород, возрастании кислотности( рН=4,5), приобретении водой запаха, повышении показателя БПК и бактериологической загрязненности. Проведение выработок в массивах этого типа при обводненности без использования специальных способов не допускается из-за возможности проявления оплывания и суффозии [18]. 2.3.2. Массив сложен глинистыми породами Глинистые породы разреза - супеси, суглинки и глины, имеют максимальную мощность до 32 м на юго-западе территории и представлены тремя возрастными группами - четвертичными, юрскими и каменноугольными. Макроскопически породы отличаются: цветом (соответственно преимущественно ржаво-бурые, темно-серые и пестро-цветные); степенью плотности, которая возрастает с возрастом; включениями обломочного материала (четвертичные могут содержать песчано-валунный материал; юрские - линзы и пропластки песков и каменноугольные - преимущественно однородные). Глинистые породы, являясь водоупорными со стороны кровли и почвы, как правило, включают водоносные горизонты, приуроченные к раздель-нозернистым, либо к трещиновато-кавернозным карбонатным породам [5].
Вскрытие горными выработками глинистых пород при их контактировании с раздельнозернистыми породами связано с необходимостью применения специальных способов - "стена" в грунте, химического укрепления, замораживания; при контактировании с обводненными карбонатными породами - часто используют открытый водоотлив, реже применяют цементацию и водопонижение. Основным профилактическим мероприятием для создания благопри ятных условий ведения горно-строительных работ является недопустимость обводнения глинистой толщи, что может быть достигнуто полной герметичностью обделки в месте контакта глинистых и обводненных пород [56]. При ведении горных работ в глинистой толще, ее водонасыщение определяется: величиной напора в водоносных горизонтах, располагающихся снизу и сверху; свойствами глинистых пород и мощностью целика, оставляемого в почве или кровле выработки. Вероятность водонасыщения определяется путем сопоставления величины фактического гидравлического градиента с критической для данных пород [53]. Величина напора при неизвестном ее числовом значении может быть с достаточным запасом "прочности" принята равной глубине заложения выработки. Время водонасыщения глинистых пород определяется по методике Шуплика М.Н., мощность целиков по методике и формуле В.А.Мироненко (1.5.) [30,46,47]. 2.3.3. Массив двухслойный - глинистые породы сверху, раздельнозернистые - снизу Подстилающие раздельнозернистые породы как правило, содержат напорные воды и для ведения горных работ требуется опережающее водопо-нижение. Водопонижение производится техническими средствами, которые подбираются с учетом фильтрационных свойств раздельнозернистых пород и глубины расположения горных выработок. Гидродинамические условия для осушения в массиве этого типа оцениваются как благоприятные. Для исключения деформаций дневной поверхности в условиях плотной городской застройки вместо водопонижения чаще используют мелиорацию раздельнозернистых пород путем применения методов замораживания, химического укрепления или способа "стена" в грунте при условии неглубокого залегания глинистых пород со стороны лотка выработки. Во всех случаях должно быть исключено обводнение выработок со стороны почвы, т.к. это отрицательно влияет на условия производства работ из-за возможности оплывания и суффозии массива [47].2.3.4. Массив двухслойный - раздельнозернистые породы сверху, глинистые снизу В этой геологической обстановке раздельнозернистые породы, как правило, обводнены, водоносный горизонт (комплекс) может быть как безнапорным, так и напорным [5,51]. Для создания условий, позволяющих вести горные работы, применяют замораживание, химическое укрепление раздельнозернистых пород и способ "стена" в грунте, при этом искусственно создаваемые водонепроницаемые "стены" обязательно доводят до глинистой толщи, являющейся водоупором. Использование водопонижения исключается из-за технической невозможности полного снятия напора воды на кровлю глинистых пород и необходимости оставления рабочей зоны для размещения в ней фильтров дренажных установок. 2.3.5. Массив многослойный - представлен чередованием раздель- нозернистых и глинистых пород Многослойные толщи данного типа мощностью до 40 м приурочены к аллювиальным отложениям, отложениям озерно-болотного типа и моренно-флювиогляциальным образованиям. Характерно, что, как правило, массив представляет собой водоносный комплекс, состоящий из нескольких водоносных горизонтов небольшой мощности с различной гидравлической взаимосвязью, что создает трудности для изучения (требуется значительное число гидрогеологических скважин и длительное время). Практического значения результаты детального изучения характеристик водоносного горизонта для проведения горно-строительных работ не имеют, поэтому достаточно выполнить общее опробование комплекса [56]. Горно-строительные работы в подобных условиях осуществляют с применением замораживания или способа "стена" в грунте. Специфическими особенностями массива, затрудняющими создание нормальных условий ведения горных работ, являются: повышенная влажность глинистых пород и часто напорный режим вод, заключенных в раздельнозернистых породах. Некачественное замораживание приводит к аварийным ситуациями, выражающимся в выбросах в забой песков-плывунов и в оплывании глинистых пород. 2.3.6. Массив сложен карбонатными породами Породы массива залегают на глубине от 2-3 до 120 м, мощность массива несколько сотен метров. Его строение осложнено включениями плотных глин (пестроцветов), являющихся часто региональными водоупорами [1,22]. В геологическом разрезе территории города карбонатные породы представлены преимущественно известняками, мергелями и доломитами. Они имеют широкий разброс значений водно-физических и механических характеристик. Проведение горных выработок возможно с отставанием крепи от забоя до 1,5 - 2 м. Обводненность массива связана с пористостью, трещиноватостью и кавернозностью: первая обусловлена генетическим типом пород, вторая -тектонической нарушенностью, а также степенью заполнения пустот в массиве привнесенными продуктами - песчано-глинистыми и карбонатными материалами.
Определение значений уклонов залегания кровли и почвы пластов слабопроницаемых пород и зеркала подземных вод
Для практического использования зависимостей 3.2.1 - 3.2.6, позволяющих рассчитывать максимально допустимые расстояния между инженерно-геологическими скважинами при разведке проектируемых трасс горизонтальных и наклонных горных выработок подземных сооружений, необходимо знать значения уклонов залегания кровли (почвы) пластов слабопроницаемых пород и зеркала подземных вод. Для определения числовых значений этих характеристик нами использовались геологические материалы фондов Мосинжпроекта - инженерно-геологические профили трасс построенных коллекторов и тоннелей. При отборе геологических профилей была поставлена задача охватить всю территорию г.Москвы. С этой целью использовалась методика геологического отдела Мосинжпроекта, заключавшаяся в том, что каждый инженерногеологический профиль, с учетом места его заложения по определенной улице "привязывался" к соответствующему квадрату план-схемы г.Москвы, разбитой на квадраты. Нами принята план-схема, включающая 42 квадрата - по вертикали 7 (А, Б, В, Г, Д, Е, Ж) и по горизонтали 6 (с 1 по 6 -ой). Были отобраны имеющиеся профили по 38 квадратам. Основные характеристики использованных материалов включают: номера дел по архиву геологического отдела Мосинжпроекта; место (улица, шоссе и т.д.) сооружения коллектора; квадрат план-схемы территории г.Москвы, по которой проходит коллектор, протяженность трассы; глубина ее заложения; интервал бурения разведочных скважин по трассе; абсолютные отметки залегания кровли, почвы и зеркала подземных вод (табл.3.3.1, 3.3.2).
Для получения числовых значений уклонов залегания кровли, почвы и зеркала подземных вод профиль трассы делился на участки различной протяженности, но с примерно одинаковыми углами залегания - элементов самоограничений и уровнями зеркала воды. Далее, по отношению разности отметок залегания этих элементов к протяженности рассматриваемого участка определялись значения уклонов для кровли, почвы слабопроницаемых пород и зеркала подземных вод. Количество участков по трассе выделялось до 25-ти с учетом его протяженности и характера залегания пород. Вычислялись средние - преобладающие значения уклонов и максимальные и после анализа, принимались к окончательному решению как средние, так и максимальные их значения. Пример обработки расчетов и выборки приведен в табл.3.3.3 и 3.3.4. В табл. 3.3.5 приведены результаты оценки вероятности проявления максимальных значений градиентов (уклонов) залегания кровли (почвы) слабопроницаемых пород и зеркала подземных вод. Результирующие значения вычисленных уклонов залегания кровли, почвы слабопроницаемых пород и зеркала подземных вод приведены в табл.3.3.6, построенной с учетом деления территории г.Москвы на план-схеме на 42 квадрата. Для пользования этой таблицей следует определить привязку места расположения строящегося объекта к тому или иному квадрату, в котором вписаны значения уклонов - средние (в числителе) и максимальные в знаменателе, установленные на момент исследования по геологическим материалам на данной площади. 3.4. Апробация результатов определения значений уклонов залегания элементов ограничения пластов слабопроницаемых пород и зеркала подземных вод
Апробация полученных результатов производились путем многократного сравнения. Сопоствлялись средние и максимальные значения уклонов, включенные в план-схему (табл.3.3.6) со значениями уклонов, которые вычислялись по вновь привлекаемым инженерно-геологическим профилям трасс подземных горных выработок, пройденных на тех же площадях. Из 42 квадратов план-схемы апробации были подвержены 13 квадратов, т.е. порядка 25% охарактеризованной площади. Общая протяженность дополнительно привлеченных инженерно-геологических разрезов составила при этом 9080 м или 8,6%. Номера квадратов и протяженность инженерно-геологических разрезов по каждому из использованных при апробации приведены в табл.3.4.1. Результаты апробации приведены в табл.3.4.2. Из материалов таблицы следует, что значения уклонов для квадратов В-5, Д-4, Г-3, Д-2, Б-4, Б-3, Г-6 корректировки не требовали. Они "вписались" в рекомендуемые, и приведенные в табл.3.3.6. По квадратам Г-4, Б-3, В-3 проверка выполнялась дважды. Корректировки потребовали значения градиентов по квадратам Е-4, Б-3, Г-4. По квадрату Е-4 значение среднего градиента кровли уменьшено на 51%; среднего градиента почвы увеличено на 70%; максимального градиента почвы увеличено на 50%. Для квадрата Б-3 сделана корректировка по максимальному значению градиента на 30%, средняя его величина уменьшена на 13%. По квадрату Г-4 откорректирована лишь средняя величина уклона кровли, уменьшена на 30%. Для квадрата Г-6 сравнение полученных значений уклонов с контрольными дает следующее соотношение - 0.0258 и 0.0280, т.е. 8%. Анализ значений уклонов залегания кровли (почвы) и зеркала подземных вод позволяет ввести количественную оценку достоверности и доли риска при прогнозе инженерно-геологических условий проведения горизонтальных горных выработок подземных сооружений. На рис.3.5.1 (а, б), 3.5.2(а, б) и 3.5.3(а, б) сгруппированы полученные значения уклонов по их абсолютной величине. Каждая точка получена в результате обработки нескольких десятков метров профилей, отстроенных по фактическим данным. Минимальные средние значения градиентов указанных параметров имеют относительно узкий диапазон изменения количественных показателей. Так, для кровли слабопроницаемых пород они изменяются, как видно из графика, от 0 до 0,05 дол.ед., для почвы - от 0 до 0,048 дол.ед, для зеркала подземных вод от 0 до 0,016 дол.ед. Значения уклонов, отнесенных к максимальным изменяются для кровли слабопроницаемых пород от 0,01 до 0,4, для почвы этих же пород от 0,025 до 0,02 дол.ед. и для зеркала подземных вод от 0,01 до 0,18 дол.ед. Процентное выражение значений данных параметров - частость их повторяемости показана в табл.3.5.1, 3.5.2 и 3.5.3. На основании приведенных данных в инженерно-геологических расчетах, выполняемым по формулам 3.2.1 - 3.2.6, достоверность от 93,4% до 97%, может быть получена при значениях уклонов для слабопроницаемых пород залегания их кровли и почвы 0,15 и 0,2 дол.ед., для зеркала подземных вод 0,10 дол.ед. Во всех случаях здесь сохраняется риск 3%. Для полного исключения доли риска значение уклонов залегания кровли и почвы слабопроницаемых пород следует принимать равным 0,4 дол.ед., что согласуется с результатами анализа геологических материалов по ул.Б.Дмитровская.
Методика прогноза инженерно-геологических условий проведения горизонтальных и наклонных горных выработок подземных сооружений е учетом способа производства работ Выполненные исследования по типизации массивов горных пород и их изменчивости в процессе проведения горных выработок подземных сооружений позволяют на основании выявленных закономерностей рекомендовать методику прогноза условий производства горно-проходческих работ, сущность которой излагается ниже. Составление прогнозной оценки, предусматривающее подбор исходных данных, анализ геологической документации и инженерные расчеты выполняются в следующей последовательности: 1. Получают сведения о строении, составе и свойствах пород геологического разреза по инженерно-геологической скважине, располагающейся по трассе горной выработки или недалеко от нее (условно назовем эту скважину 1-ой). Правомочность использования данных по скважине, располагающейся в стороне от трассы выработки, определяется после выполнения всех рекомендуемых в методике операций. Если правомочность не будет установлена, бурение 1-ой инженерно-геологической скважины обязательно. В разрезе (колонке) выделяются глинистые, слабопроницаемые и раздельно-зернистые породы и дается характеристика их водоносности и влажности. 2. Собирают сведения о подземном сооружении, которые включают отметку заложения его лотка, диаметр (или высота в сечении), уклон заложения, протяженность. 3. С учетом полученных сведений о типе и подтипе данного массива, вмещающего горную выработку, а также имеющихся возможностей по ее проведению, принимается решение об использовании конкретного способа производства работ: горный без водоотлива, с водоотливом, с оставлением целиков, с использованием водопонижения и т.д. 4. На основании принятого решения для определения допустимого расстояния, при котором сохраняется инженерно-геологические условия, определенные в соответствии с п.п. 1-3, принимается одна из формул 3.2.1 -3.2.6 или 3.6.1.
Оценка инженерно-геологических условий сооружения коллектора
При выборе месторасположения трассы коллектора по размещению в плане рассмотрены три варианта - центральный, западный и восточный (рис.4.2.1). В геологическом разрезе (рис. 4.2.2) для каждого варианта рассмотрены подварианты мелкого и глубокого заложения коллектора между перекачными станциями в Черкизово и Кусково. Анализ инженерно-геологических особенностей слагающих массив горных пород позволил выделить основные природные и технологические факторы, определяющие условия ведения горных работ и по их показателям составить относительную оценку трудоемкости выполнения горностроительных работ для каждого варианта и подварианта. Рассматривались и сопоставлялись: параметры физико-механических и фильтрационных свойств пород, протяженность трассы коллектора, суммарная глубина стволов, глубина стволов, требующих применения специальных способов проходки по рыхлым обводненным отложениям кайнозоя, глубина заложения перекачных насосных станций, объемы канализирования сточных вод по каждому варианту и энергетические затраты на разработку пород массива разной крепости. Результаты анализа приведены в табл.4.2.1.
Как видно из табл.4.2.1, наименее трудоемким является 2-й вариант (западный), подвариант мелкого заложения, наиболее трудоемким - 3-й вариант (восточный), подвариант глубокого заложения. Трудоемкость рассмотренных вариантов и подвариантов по принятым к анализу факторам отличается на 60%. В связи с тем, что при мелком заложении коллектора для каждого из трех вариантов возникает необходимость использования специальных способов производства работ на участках, протяженностью от 200 м до 2 км, приуроченных к обводненным рыхлым отложениям в постюрских эрозионных образованиях, принято решение отказаться от них и рассматривать лишь подвариант глубокого заложения центрального варианта или близкие к нему (промежуточные). Предпочтение этим подвариантам сделано с учетом более низкой относительной трудоемкости их выполнения и более благоприятным условиям размещения строительных площадок, необходимых при проведении шахтных стволов, а также возможности развития сети канализования в дальнейшем. Промежуточное по глубине размещение коллектора рассматривалось с сооружением дюкеров для обхода трасс действующих тоннелей метрополитена Д1 на абсолютных отметках +90- +105- +95 м и Д2 на абсолютных отметках +87- +78 м. Одновременно с этими подвариантами рассмотрен подвариант глубокого заложения ("Г") - на абсолютных отметках +80- +74 м (первые отметки для перекачной станции в Черкизово, вторые - для станции в Кусково) (Рис. 4.1.1, 4.2.2). Для выделенных подвариантов (Д1, Д2 и Г) выполнены расчеты по определению объемов буровых работ, необходимых при доразведке трасс коллектора (табл. 4.2.2), размещенных на разной глубине. Проанализированы горнотехнические условия проведения коллектора по принятым к рассмотрению подвариантам с учетом типов массивов пород, разрабатываемых забоями коллектора и их обводненности (табл.4.2.3).
Знак "+" обозначает благоприятные условия строительства коллектора, при отсутствии обводненности , при обводненности известняков по всей площади забоя, при обводненности со стороны лотка и наличии пачки глин каменноугольного возраста в его кровле; знак "-" обозначает неблагоприятные условия - обводненность со стороны кровли на глинистую породу в лотке (почве), обводненность песчаных переслаивающихся пород. Проценты характеризуют проявления отмеченных условий от общей протяженности трассы коллектора. Результаты оценки условии строительства коллектора показывают, что наиболее целесообразным для реализации является вариант глубокого заложения, требующий некоторых изменений по величине и уклонам расположения трассы в целях улучшения литолого-гидрогеологических показателей, т.к. они при принятом положении низкие (-8%) (табл.4.2.3). Анализ гидродинамической обстановки геологического разреза с учетом мощности глинистых отложений Воскресенской толщи (до 6-7 м), ожидаемых напоров сточных вод в сооружении и природных (в водоносных горизонтах) показывает, что при варианте глубокого заложения коллектора, загрязнения мячковско-подольского водоносного горизонта не ожидается. Установлено, что по центральному варианту (глубокое заложение коллектора) степень разведанности трассы для разных участков неоднозначна. Производство горно-строительных работ потребует дополнительного бурения скважин по трассе, с количеством и расстоянием между ними в соответствии с конкретными условиями проходки тоннелей, а также в местах заложения стволов. Учитывая это, с использованием разработанной методики (гл.З) оценки инженерно-геологических условий выполнены исследования с целью определения степени разведанности всей трассы КТГЗ. В соответствии с Инструкцией Метрогипротранса, на стадии разработки ТЭО количество скважин на 1 км трассы тоннелей рекомендуется принимать в зависимости от инженерно-геологических условий: при простых условиях - 3 скважины, при средней сложности - 5 скважин, при сложных условиях - 7 скважин. При проведении инженерно-геологической разведки трассы коллектора глубокого заложения, протяженность коллектора изменяется от 10 до 12 км; всего по трассе ранее пробурено 14 скважин, т.е. суммарное количество скважин должно составлять от 30-45 до70-85. Поэтому вначале необходимо оценить степень разведанности всей трассы и отдельных ее участков, так как расстояния между скважинами изменяются (рис.4.1.1) в широких пределах. По результатам исследований необходимо установить количество и место бурения дополнительных разведочных скважин, что обеспечит получение достоверной информации об условиях ведения горных работ. Во второй задаче необходимо оценить влияние смещений отметок заложения коллектора на изменения условий строительства, определяемых анизотропией массива горных пород, обусловленной переслаиванием обводненной карбонатно-глинистой толщи, моноклинальным залеганием и наклонным заложением выработок. Цель решения задачи - надежное инженерно-геологическое обеспечение строительства КТГЗ на основе фактических материалов и результатов исследований по данным вопросам, включая задачу об опережающем бурении при невозможности выполнить доразведку трассы традиционными методами. В случае невозможности выполнить доразведку трассы в городских условиях традиционными методами, следует решать задачу об опережающем бурении.
Для решения первой задачи использована методика определения максимально-допустимого расстояния между скважинами с учетом гидрогеологической обстановки, строения массива горных пород, технологии производства горно-строительных работ (обычный горный способ без водоотлива, с водоотливом, с водопонижением, замораживанием и т.п.). В данном случае, по результатам геолого-разведочных работ, целесообразно проведение коллектора под защитой естественного природного целика со стороны кровли, представленного юрско-карбонатной толщей, исключающего вероятность прорыва плывунов кайнозойского возраста. Максимально-допустимое расстояние между инженерно-геологическими скважинами при данном условии определяется неравенством 3.2.2 (гл.З). При определении мощности предохранительного целика принимались средние значения геометрических параметров выработки и физико-механических свойств горных пород геологического разреза:
