Содержание к диссертации
Введение
1. Системный подход в оценке проблем функционирования сети железных дорог в сложных геодинамических условиях приамурья
1.1. Перспективы и проблемы развития и функционирования сети железных дорог Дальнего Востока 11
1.2. Геологическая и инженерно-геологическая изученность региона и вытекающие из этого цели и задачи исследований 24
1.3. Методология системных исследований функционирования сети железных дорог в сложных геодинамических условиях Гфиамурья с целью ликвидации барьерных мест 29
2. Особенности геологической среды приамурья -причины и условия возникновения опасных геологических процессов
2.1. Климатические условия 46
2.2. Геологическое строение и региональная тектоника 50
2.3. Неотектоника, современные движения земной коры и сейсмичность 60
2.4. Гидрогеологические условия 72
2.5. Геокриологические условия 78
2.6. Экзогенные геологические процессы и явления 88
3. Выявление и анализ опасных геологических процессов и явлений в регионе приамурья с позиций их влияния на функционирование сети железных дорог
3.1. Исследование физико-механических свойств горных пород и корреляционных зависимостей между основными показателями 124
3.2. Анализ микро- и макротрещиноватости горных пород 145
3.3. Исследование закономерностей развития кор выветривания 171
3.4. Оценка гравитационных процессов и явлений и их влияния на работу постоянных устройств сети железных дорог 195
3.5. Оценка инженерно-геологических условий функционирования тоннелей 212
3.6. Оценка мерзлотных процессов и явлений и их влияния на работу постоянных устройств 228
4. Комплексная оценка опасности и риска функционирования сети железных дорог приамурья (На примере Приургальского района)
4.1. Особенности геодинамических условий Приургальского района. 238
4.2. Прогноз магнитуд и сейсмическое микрорайонирование 251
4.3. Сейсмический риск работы постоянных устройств железнодорожного пути 257
5. Стратегия ликвидации барьерных мест в пределах сети железных дорог, вызванных сложными геодинамическими условиями приамурья
5.1. Разработка стратегии ликвидации барьерных мест 274
5.2. Разработка математической модели выбора эффективной области альтер натив ликвидации барьерных мест 279
5.3. Решение задачи выбора эффективной области альтернатив для линии Комсомольск - Советская Гавань 282
5.4. Результаты и выводы 286
Заключение 288
- Геологическое строение и региональная тектоника
- Геокриологические условия
- Анализ микро- и макротрещиноватости горных пород
- Оценка инженерно-геологических условий функционирования тоннелей
Введение к работе
Актуальность работы. Изучаемый регион Приамурье охватывает территорию Дальнего Востока России в пределах бассейна р. Амур и включает в себя части Амурской области, Еврейской автономной области, Хабаровского и Приморского краев. Регион характеризуется очень сложными природными, климатическими, инженерно-геологическими, сейсмическими, тектоническими и другими условиями, определяющими значительный природный риск функционирования транспортных систем, который необходимо учитывать при их проектировании, строительстве и эксплуатации.
Приамурье является развивающейся восточной территорией Российской Федерации, имеет для нее важное геополитическое значение, поскольку лежит на пути выхода в Азиатско-тихоокеанский регион, обладает значительным количеством природных ресурсов, необходимых для всей страны (цветные и черные металлы, уголь и т.д.) и располагает внушительным промышленным потенциалом. Отмеченные условия определяют неизбежность дальнейшего опережающего развития и совершенствования многовидовой транспортной системы и тесного взаимодействия всех ее составных частей. Особое значение при этом имеет сеть железных дорог Дальневосточного региона, на долю которой приходится 71% всех перевозок. Увеличение грузопотоков, осевых нагрузок, внедрение новых технологий перевозочного процесса должно базироваться на научно обоснованной концепции рационального использования геологической среды при проектировании новых, реконструкции существующих железнодорожных линий и строительстве защитных сооружений для ликвидации барьерных мест и безаварийной, ритмичной работы сети железных дорог Приамурья. Недоучет особенностей и сложности инженерно-геологических условий территорий при проектировании, строительстве и эксплуатации железнодорожных линий в дальнейшем приводит к повышенным эксплуатационным затратам, частым капитальным ремонтам, а порою к аварийным и катастрофическим ситуациям.
В связи с этим, настоящая работа, посвященная решению теоретических и практических проблем проектирования развития облика и мощности
сети железных дорог (СЖД) с учетом сложных геологических условий Приамурья, безусловно актуальна и имеет государственную значимость.
Объектом исследования являются геологическая среда и постоянные устройства сети железных дорог, имеющие инженерно-геологическую природу (выемки, насыпи, тоннели, основания сооружений) в пределах Приамурья.
Целью исследования являются системное изучение особенностей геологической среды Приамурья, анализ, синтез и прогноз ее влияния на работу постоянных устройств сети железных дорог и разработка методологии борьбы с опасными геологическими процессами.
Для решения поставленной проблемы необходимо:
1. На основе разработанной методологии провести системный анализ современного состояния геологической среды в регионе и оценить ее влияние на безопасную и эффективную работу постоянных устройств сети железных дорог Приамурья.
2. Установить наиболее опасные геологические процессы и явления в исследуемом регионе, угрожающие безопасной и эффективной работе постоянных устройств сети железных дорог.
3. Произвести крупномасштабное сейсмическое районирование территорий с высокой сейсмической опасностью и оценить сейсмический риск для работы постоянных устройств сети железных дорог в пределах Приамурья.
4. Разработать научно обоснованную стратегию, направленную на повышение надежности и безопасности функционирования и развития СЖД на участках, пораженных опасными геологическими процессами и рациональные конструкции, методы и технологии борьбы с опасными геологическими процессами и явлениями.
Исходные материалы и личный вклад в решение поставленной проблемы.
В основу диссертационной работы положены результаты многолетних методологических, теоретических, полевых, лабораторных»- исследований выполненных автором по изучению инженерно-геологических условий Приамурья в рамках фундаментальных, госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских и исследовательско-проектных работ по заказу Министерства путей сообщения, Дальневосточной железной дороги и ее подразделений отделений и дистанций, а также по собственной инициативе на кафедре «Железнодорожный путь, основания и фундаменты» Дальневосточного государственного университета путей сообщения. Важное место среди исходных материалов занимают результаты собственных полевых исследований автора:
• изучения инженерно-геологических условий Приамурья (1977 — 2003 гг.);
• исследования участков проявления гравитационных процессов на Дальневосточной железной дороге (ДВЖД) (1989 - 2003 гг.)
• исследования инженерно-геологических условий горных массивов вмещающих тоннели ДВЖД (1995 - 2001 гг.)
• изучения физико-механических свойств магматических горных пород региона (1989-1995 гг.)
• изучения трещиноватости магматических горных пород и кор выветривания Приамурья (1989 - 1995 гг.)
• исследования оснований земляного полотна в условиях распространения многолетнемерзлых пород (1977,1978, 2000 гг.)
• исследования работы фильтрующих насыпей на ДВЖД (1977, 1978 гг.)
Методы исследований
Для решения поставленных задач применялись общенаучные, полевые, лабораторные, экспериментальные, теоретические исследования, методы системного анализа, сейсмического районирования, оценки сейсмического риска и прогнозирования а также методы динамического программирования.
Научная новизна
Для железных дорог Приамурья автором впервые получены следующие результаты исследований:
1. Проведен региональный системный анализ геологических, сейсмических, тектонических, неотектонических, мерзлотных, гидрогеологических условий и оценено их влияние на распространение опасных геологических процессов и явлений в исследуемом регионе.
2. Систематизированы физико-механические свойства магматических горных пород Приамурья с выявлением корреляционных зависимостей между основными
свойствами; изучены и систематизированы закономерности развития кор выветривания Приамурья,
3. Исследована трещиноватость скальных горных пород в районах распространения и перспективного развития сети железных дорог Приамурья,
4. Проведены крупномасштабные системные исследования инженерно-геологических условий горных массивов с целью выбора проектных решений и оптимальных условий эксплуатации транспортных тоннелей ДВЖД. Составлена генетическая классификация экзогенных геологических процессов, влияющих на безопасную работу региональной сети железных дорог.
5. Изучены и классифицированы гравитационные процессы на сети железных дорог Приамурья.
6. Проведена комплексная оценка опасности и риска функционирования СЖД на основе анализа опасных эндогенных и экзогенных процессов, крупномасштабного сейсмического районирования и оценки сейсмического риска работы постоянных устройств в Приургальском районе.
7. Разработана стратегия ликвидации барьерных мест на сети железных дорог.
Защищаемые положения
1. Для линий сети железных дорог, функционирующих в различных геолого-структурных областях Приамурья опасными являются эндогенные и экзогенные геологические процессы, типы и виды которых определяются комплексом климатических, геоморфологических и геологических условий. Так для линий пересекающих горные сооружения Буреинского срединного массива и Сихотэ-Алиньской складчатой системы наиболее опасными являются гравитационные процессы - обвалы вывалы, осыпи, сели, оползни, а на обширных межгорных заболоченных равнинах - размывы, морозное пучение, сплывы откосов; в северных районах региона дополнительную опасность представляют криогенные процессы.
2. Условия проектирования, строительства, эксплуатации и реконструкции тоннелей, выемок, полувыемок сети железных дорог в скальных горных породах, определяются строением кор выветривания, физико-механическими и петрологическими характеристиками пород. Для физико-механических свойств присущи тесные и умеренные корреляционные зависимости между плотностью, прочностью на сжатие и скоростью распространения упругих волн. В корах выветривания физико-механические свойства изменяются закономерно при переходе из одной зоны в другую, а мощность этих зон определяется особенностями климата, геологическим строением участков, их гипсометрическими отметками, неотектоническими условиями.
3. Геологические процессы и явления на участках сложенных скальными горными породами обусловлены наличием дизъюнктивных нарушений; высокими показателями трещиноватости, блочности, трещинной пустотности; пересеченным рельефом; суровым климатом; сейсмичностью; современными вертикальными движениями земной коры; гидрогеологическими и геокриологическими условиями. Этими обстоятельствами определяются, в частности, высокая пораженность линии Комсомольск-Советская гавань обвальными процессами (40 участков общей протяженностью 33,5 км при длине линии 441км). Инженерно-геологические условия Облученского тоннеля определяются наличием на участке грабеновой структуры и близостью к активному региональному Арбунскому разлому.
4. Для многих районов Приамурья характерны сложные инженерно-геологические условия, в которых одновременно активно проявляются эндогенные и экзогенные процессы и явления. Одним из наиболее характерных в этом отношении является Приургальский район, по которому проходит значительная часть северного широтного хода Транссиба (БАМ). Сложные экзогенные условия Приургалья характеризуются суровым резкоконтинентальным климатом, повсеместным развитием многолетнемерзлых пород, проявлением опасных геологических процессов и явлений, среди которых преобладают геокриологические и гравитационные. Одновременно, обостряя экзогенные, проявляются сложные эндогенные условия района: геологическое строение и тектоника, неотектоника, современные и новейшие движения земной коры, высокая сейсмическая опасность, что в совокупности повышают риск функционирования устройств железнодорожного пути. При этом для всех объектов сети железных дорог в Приамурье свойственен дефицит сейсмостойкости сооружений.
5. Снижение риска воздействия опасных геологических процессов на работу СЖД в Приамурье возможно лишь основе создания системы инженерно-геологического мониторинга ее функционирования в сложных геологических условиях и системного отбора защитных мероприятий с формированием эффективного комплексного плана их реализации в пределах выделенных для этих целей инвестиций. Апробация и реализация работы
Основные положения и результаты научной деятельности представлены в пятидесяти девяти научных трудах, включающих четыре монографии, статьи, тезисы докладов и двадцать три отчета по научно-исследовательским и проектным работам. Автор, являющийся членом международной ассоциации инженеров-геологов (IAEG), принимал участие в международных, всесоюзных, всероссийских, региональных и научно-технических конференциях, совещаниях, семинарах. В том числе:
- в международной научно-методической конференции «Проблемы современной инженерной геологии» (Десятые научные чтения имени профессора Н.И. Толстихина, посвященные 90-ию В.Д. Ломтадзе) 19-20 ноября 2002 г. в Санкт- Петербургском горном институте им. Г.В. Плеханова;
- в международных конференциях «Стихия. Строительство. Безопасность» во Владивостоке в 1997 г. и «Молодежь и научно-технический прогресс» во Владивостоке в 1998 и 1999 гг.; в четвертом международном форуме стран Азиатско- Тихоокеанского региона 9-12 октября 2001 г. во Владивостоке; в международной научной конференции творческой молодежи, 11-12 апреля 2001 г. в Хабаровске;
- на IV Косыгинских чтениях «Тектоника, глубинное строение и геодинамика востока Азии» 21-23 февраля 2003 г. в Институте тектоники и геофизики ДВО РАН в г. Хабаровске;
- во всесоюзных и всероссийских конференциях: «Теория, методология и практика системных исследований» в Москве 15-16 мая 1984 г., «Транссиб и научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте» в Новосибирске в 1991г., «Проблемы организации территорий регионов нового освоения» в Хабаровске в 1991г., «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири и Дальнего Востока» 18-21 октября 2001 г. в Хабаровске.
- в региональных конференциях «Перспективы ускорения научно-технического прогресса в строительстве районов Дальнего Востока и Забайкалья» во Владивостоке в 1987 г., «Пути повышения эффективности и качества гидрологических и инженерно-геологических исследований на территории Хабаровского края и Амурской области» в Хабаровске в сентябре 1987 г., «Вузы Сибири и Дальнего Востока ТРАНССИБУ» в Новосибирске в октябре 1997 г.; «Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности» в Хабаровске 22 - 23 октября 2003года.
Экономический эффект от применения теоретических и практических работ исследований значителен. Только по одной из тем исследований он составляет около 14 млн. руб. Использование разработок по ликвидации барьерных мест позволяет исключить нецелесообразные затраты в связи с ограничением скоростей движения поездов, составляющие около 300 тыс. руб./км»год.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем составляет 315 страниц, включая 28 таблиц, 54 рисунка и библиографический список из 225 наименований.
Мне приятно выразить свою глубокую благодарность за ценные советы, критические замечания, и всестороннюю поддержку своим консультантам в период написания диссертации - д.т.н. профессору ДВГУПС СМ. Гончаруку и д.г.-м.н., профессору ИЗК СО РАН Ю.Б. Тржцинскому.
Автор весьма признателен докторам Н.П. Романовскому, В.М. Бирюкову, В.В. Николаеву, Т.Г. Рященко, Л.А. Маслову, B.C. Шварцфельду, кандидатам наук Ф.Г. Корчагину, Д.Ю. Малееву, А.Р. Едигоряну, ВА. Бормотову; н.с. А.Н. Пересторонину, оказавшим большое влияние на формирование методологии исследований и результаты работы. Написание диссертации было бы невозможным без совместной деятельности в Г-- гноетечение многих лет со своим наставником и коллегой докторомг профессором ДВГУПС А.Э. Даммером, оказавшим решающее влияние на формирование научного мировоззрения автора и оставившего о себе светлую память.
Геологическое строение и региональная тектоника
Северным обрамлением исследуемой территории является Амуро-Охотское звено Монголо-Охотской складчатой системы, характеризующееся очень сложным строением. Ее часть, расположенная между Становой складчато-глыбовой областью, Буреинским и Аргуньским массивами, представляет серию линейных горст-антиклинориев и грабен-синклинориев, которые осложнены многочисленными надвигами и взбросами. Восточнее Буреинского массива субширотные структуры Монголо-Охотской системы веерообразно разветвляются на северо-восточные (Удско-Шантарскую, Тугурскую) и юго-восточную (Ниланскую) ветви. Синклинории сложены средне позднепалеозойскими (девон, пермь) и мезозойскими отложениями. Антиклинории выполнены породами позднепротерозойского и ранне- палеозойского возраста. Позднепротерозойско-раннепалеозойский комплекс выходит на поверхность в бассейне верхнего течения р. Селемджа, а также в пределах хр. Тукурингра. Он относится к спилит-кератофировой песчанико-сланцевой формации. В условиях эпидот-амфиболитовой и зеленосланцевой фаций метаморфическими изменениями породы формации превращены в альбит-кварцевые, эпидот-актинолитовые, слюдяные и другие сланцы, филлиты, кварциты, рассланцованные слюдистые песчаники. Интрузивные породы этого возраста в наибольшем количестве их наблюдаются в зоне Южно-Тукурингрского разлома. Они представлены главным образом пластообразными телами габбро-диоритового состава, залегающими согласно с вмещающими отложениями. Раннепалеозойский (кембрийско-ордовикский) геосинклинальный комплекс составляет спилит-диабазовую песчанико-известняково-кремнистую формацию, для нее характерно преобладание кремнистых и вулканогенных пород, вмещающих пласты железных руд и фосфоритов. Комплекс образует ядро Джагдинского антиклинория. Средне - верхнепалеозойский комплекс представлен двумя типами формаций. В Приохотском районе геосинклинальные отложения образуют толщу переслаивания песчаников, алевролитов, глинистых и кремнисто-глинистых сланцев, кремней, диабазов, туфов, известняков и конгломератов, составляющих мощную (до 20 км) спилит-диабазовую кремнисто-песчаникоалевролитовую формацию. В краевой системе прогибов развита карбонатно- терригенная формация, наиболее полно представленная в Омутнинском прогибе. В мезозое в Монголо-Охотской системе сформировались пригео-синклинальные прогибы - Торомский, Удский, Верхнеамурский и ряд более мелких. Прогибы заполнены пологозалегающими терригенными толщами верхнего триаса, юры и нижнего мела, составляющими орогенную конгломерато-алевролито-песчаниковую формацию мощностью более 5 км. Вулканогенный андезит-дацит-липаритовый комплекс сформировался в два этапа. В раннемеловом этапе преобладают андезиты (до 1700 м), в позднемеловом - игнимбриты, липариты, дациты (до 3000 м), с которыми тесно сочетаются экструзивные и интрузивные фации. Сконцентрированы они в основном в глубинных разломах Селитканской и Умлекано-Огоджинской зон. На востоке Монголо-Охотской системы близкие по возрасту гранитоиды образуют крупные массивы и мелкие тела с обширными полями даек. Кайнозойские отложения значительной мощности выполняют субмеридиональные грабены в бассейнах рек Тором, Канин, Тугур и др. В основании разреза отложений, выполняющих грабены, выделяется геолого-генетический комплекс, представленный конгломератами, песками, глинами, общей мощностью до 500-1000 м. Почти повсеместно он перекрыт плиоце-новыми и четвертичными аллювиальными, преимущественно крупнообло-мочными отложениями. Плейстоценовые и голоценовые аллювиальные, ледниковые, флювиогляциальные и аллювиально-пролювиальные отложения мощностью от нескольких метров до 100 м и более широко распространены в горном поясе. Буреннский массив В Буреинском массиве выделяются Туранский, Мамынский и Гонжинский выступы, разделенные разновозрастными прогибами и впадинами. Вместе с Аргуньским массивом они в раннем протерозое составляли единую структуру -северный выступ Китайско-Корейского щита (Геология зоны БАМ, 1988). Архейские и раннепротерозойские метаморфические образования составляют фундамент Буреинского и Аргуньского массивов. Небольшие поля образований этого возраста сохранились в виде ксенолитов и останцов кровли среди обширных массивов разновозрастных гранитоидов. В метаморфических толщах преобладающими являются биотит-амфиболовые, амфиболовые гнейсы и сланцы, амфиболиты, реже биотитовые и графитовые гнейсы, слюдяные сланцы и кварциты, объединяемые в гнейсо-мигматитовую формацию. Гранитоидный комплекс этого возраста представлен ультраметаморфической мигматит-гранитовой формацией, имеющей также ограниченное распространение. Позднепротерозойские (рифейские) образования метаморфизованы в условиях зеленосланцевой фации и превращены в различные слюдяные и графитовые сланцы, кварциты, микрогнейсы и мраморы. Этими породами сложена союзненская графитоносная свита мощностью 1500-2700 м, имеющая незначительное распространение преимущественно на востоке Туранского выступа. Фрагменты рифейско-нижнекембрийских терригенно-карбонатных и вулканогенно-терригенных отложений встречаются на Малом Хингане и в бассейне р. Мельгин. В палеозое и мезозое Буреинский массив являлся областью интенсивного гранитоидного магматизма и блоковых дислокаций, которым сопутствовали образование наложенных впадин и наземный вулканизм. В восточной части Туранского выступа сформировался пригеосинклинальный Буреинский прогиб, обрамляющий Буреинский массив с востока и севера; на западе образовались - Верхнеамурский и Амуро-Зейский прогибы. В основании разреза отложений Буреинского прогиба залегают породы конгломерато-алевролито-песчаниковой формации позднетриасового и юрского возраста мощностью более 5 км, которые в Ургальской и Огоджинской впадинах перекрыты угленосными конгломерато-аргиллто-песчаниковыми формациями верхней юры и нижнего мела мощностью до 4 км. Отложения слабо дислоцированы. В Верхнеамурском прогибе сходные в формационном отношении отложения интенсивно смяты в линейные складки. Отложения выполняющие Амуро-Зейский прогиб образуют плитный чехол молодой платформы. Они формировались в течение позднего мела - раннего плейстоцена. Разрез чехла представлен угленосной конгломерато-песчано-глинистой формацией позднемелового - палеогенового возраста (кивдинская и бузулинская свиты) мощностью до 500 м, перекрытой повсеместно осадками сазанковской свиты миоценового возраста и белогорской свиты плиоцен-раннечетвертичного возраста. Сазанковская свита мощностью 100-300 м сложена сильнокаолинизированными песками с гравием, галькой, с прослоями глин и лигнитов. Самая верхняя, белогорская свита мощностью 80-120 м, представлена песками, гравием и галечниками с подчиненными прослоями глин и суглинков. Отложения белогорской свиты встречаются также в Уруша-Ольдойских и других мелких впадинах Верхнего Приамурья, а осадки, сопоставляемые с отложениями сазанковской свиты, установлены в древней долине пра-Амура. Четвертичные аллювиальные галечники и пески слагают разновозрастные террасы в современной долине р. Амур, а также в долинах рек Зея, Селемджа, Бурея и др.
Геокриологические условия
В региональном плане зона распространения многолетнемерзлых пород в пределах Приамурья представляет собой зону перехода от площадного распространения многолетнемерзлых пород к сплошному распространению талых пород, располагающуюся вблизи южной границы криолитосферы (Геология зоны БАМ, 1988, Гидрогеология СССР, 1971, Инженерная геология СССР, 1977). Геокриологические условия ее отличаются значительным разнообразием, определяются климатическими особенностями региона, широтной и вертикальной зональностью, влиянием растительного и снегового покровов, широким распространением глинистых и суглинистых грунтов, торфяников, заболоченности и т.д. и в целом изменяются с юго-востока на северо-запад. В пределах Зейско-Буреинской равнины многолетняя мерзлота фиксируется в днищах заболоченных речных долин на поверхности высокой поймы и надпойменных террас, на пологих склонах северной экспозиции, местами на плоских водоразделах междуречных пространств. Здесь прослеживается редкоостровное и островное распространение многолетнемерзлых пород, сменяющих друг друга последовательно в целом с юго-запада на северо-восток - от долины р. Зея к предгорьям хр. Турана, соответственно, в этом же направлении возрастает мощность мерзлых пород от 3-5 м до 10-15, местами до 30 м, а преобладающие температуры мерзлых пород понижаются от 0С до -5С, местами до - 1-2С. На большей чести территории равнины междуречные пространства сплошь талые. В юго-западной части равнины только в долинах рек Селемджа, Томь, Будунда, Белая, Завитая и некоторых др. отмечаются крайне редкие небольшие острова многолетнемерзлых пород мощностью до 3-5 м, возможно более, и перелетки.
Далее к северо-востоку мерзлота приобретает редко-островное распространение в пределах высоких пойм, надпойменных террас, пологих заболоченных склонов северной экспозиции и достигают мощности 10-15 м. На водораздельных пространствах и склонах южной экспозиции, сложенных песчаными породами неоген-раннечетвертичного возраста, мерзлота отсутствует,, но отмечается глубокое сезонное промерзание горных пород (до 3-5 м). В северо-восточной, Притуранской, части равнины распространение многолетнемерзлых пород имеет островной характер - мерзлые породы занимают до 20-30% территории. Мощность их возрастает до 15-20, местами до 30 м, и отличается весьма значительными колебаниями, обусловленными сложным взаимодействием ландшафтных, геологических и гидрогеологических факторов. Здесь распространены неоген-нижнечетвертичные отложения, представленные супесями, суглинками, глинами, песками, местами перекрытыми торфом, для которых характерны массивная, крупносетчатая, порфировидная, реже шлировая и слоистая криотекстуры. Наибольшей льдистостью отличаются глинистые породы - суммарная льдистость от 20-30% до 60% в пределах первых трех метров от поверхности, ниже быстро уменьшается до 3-5% и менее.
Острова многолетнемерзлых пород развиты здесь не только по долинам всех рек и на пологих склонах северной экспозиции, но и на выположенных водораздельных пространствах, обычно перекрытых суглинками и глинами четвертичных субаэральных полигенетических отложений. Максимальные мощности мерзлых пород отмечаются на водоразделах и склонах северной экспозиции. Наконец, вдоль восточной границы равнины - верхние течения рек Ульма, Томь, Алеун - распространение многолетнемерзлых пород местами приобретает массивно-островной характер - многолетнемерзлые породы занимают до 40% всей площади и развиты по долинам рек, на пологих склонах северной и южной экспозиции и уплощенных водоразделах. Талые породы приурочены к руслам рек и прирусловым частям долин, крутым склонам южной экспозиции, останцовым сопкам и возвышенностям, сложенным скальными породами. Мощность многолетнемерзлых пород здесь достигает 50 м. В хр. Турана и его отрогах характер площадного распространения многолетнемерзлых пород изменяется от редкоостровного и островного в юго-западной части хребта (по правобережью р. Бурея) до массивно-островного и прерывистого, которые преобладают на большей части его территории. В юго-западной части хребта острова многолетнемерзлые породы отмечаются преимущественно в днищах речных долин и на пологих склонах северной экспозиции на участках, обычно занятых марями. Мощность мерзлых пород не превышает 10-15 м, а температура не ниже - 0,5С, т.е. «вялая мерзлота». Севернее - в центральной части хребта и его отрогах - наиболее проморожены днища межгорных впадин, занимающие верховья рек Иса, Кевели, Туюн, Верхний Мельгин и некоторых др., и водоразделы с абсолютными отметками выше 1000-1200 м, где многолетнемерзлые породы имеют прерывистое распространение, тогда как для склонов гор и днищ речных долин характерны массивно-островной и местами прерывистый типы распространения многолетнемерзлых пород. Сквозные талики приурочены к руслам всех крупных и средних рек, склонам южной экспозиции, местами к низким водоразделам.
В межгорных впадинах широко развиты мохово-кочковатые и мохово-кустарниковые мари, реже - мохово-бугристые с буграми-могильниками, в пределах которых в верхнем течении р. Туюн в районе ст. Этеркэн, в бассейне р. Иса отмечаются повторно жильные и пластово-жильные льды, морозобойные трещины, а в глинистых породах преобладают сетчатая и слоистая криотек-стуры. Мощность многолетнемерзлых пород достигает 30-50 м и более, а температура мерзлых пород от - 0,5С до - 2,5С (преобладающая -0,5-1 С). Талики приурочены к руслам крупных рек и отчетливо фиксируются пойменным лесом с тополями и чозенией (данные Шуваева А. С). Выше по склонам сопок, окружающих межгорные впадины, мари сменяются лиственничными лесами, температура многолетнемерзлых пород повышается до значений близких к 0, а местами они сменяются талыми породами с глубоким (до 2-3 м) промерзанием. Обычно на таких участках склоны сухие и покрыты густым высоким лиственничным лесом. Мощность мерзлых пород обычно не превышает 50 м, а температура не ниже -1С. В высотном интервале 1000 - 1500 м, где широко развиты заросли кедрового стланика, на водоразделах, сменяющихся горной тундрой, почти повсеместно распространены многолетнемерзлые породы, кровля которых залегает на глубине до 2 м, а мощность превышает 50 м. Таким образом, в хр. Турана многолетнемерзлые породы прерывистого типа распространения занимают самые низкие и самые высокие гипсометрические отметки, тогда как на склонах в интервале абсолютных отметок 700-1000 м характер распространения многолетнемерзлых пород в основном массивно-островной, где встречаются талики с температурой горных пород до +3С (Некрасов, Климовский, 1978). В целом же сплошность распространения многолетне-мерзлых пород в пределах хребта возрастает с юга на север, в этом направлении увеличивается и их мощность.
В расположенной к востоку от хр. Турана Верхнебуреинской межгорной впадине многолетнемерзлые породы имеют прерывистое распространение и занимают 60-65% территории (Бакакин и др., 1954). Наиболее охлажденными и глубоко промороженными здесь являются высокие поймы р. Бурея и ее притоков, где мощность многолетнемерзлых пород нередко достигает 60-80 м, а местами 100 м. Температура мерзлых пород на глубине 10 м доходит до — 3С, На первой надпойменной террасе мощность их сокращается до 50-55 м, на второй - до 40 м, а температуры мерзлых пород составляют соответственно -2 ...- 2,5С и -1 ... - 2С. На плоских водоразделах, занятых марями, мощность многолетнемерзлых пород сокращается до 30, местами до 15-20 м. Под руслами крупных и средних рек и вдоль них развиты подрусловые и прирусловые сквозные талики, мощность многолетнемерзлых пород нарастает от таликов к тыловым швам высоких пойм. Сплошь талые породы развиты также на склонах южной и восточной экспозиции, а температура пород на уровне годовых колебаний не опускается ниже 0,8-0,7С (Бакакин и др., 1954). В южной части впадины мощность многолетнемерзлых пород сокращается до 20-80 м, сплошность ее уменьшается, талики отмечаются не только на склонах южной экспозиции, но и на водоразделах, многолетнемерзлые породы развиты в днищах долин, на склонах северной экспозиции и пологих склонах других румбов, занятых марями.
Анализ микро- и макротрещиноватости горных пород
В различных исследованиях отмечается закономерное изменение физико-механических свойств при переходе от ненарушенных к массивам со значительной микротрещиноватостью (Роза С.А., 1962, Зеленский Б.Д., 1967, Голодковкая Г.А., Шаумян Л.В., 1987 и др.). Такое изменение физикомехани-ческих свойств связано с закономерным изменением микротрещинова-тости. Автором были изучены эти закономерности на шлифах эффузивных пород из различных вулканических зон Восточного Приамурья и Северного Сихотэ-Алиня. Так, у авгитовых базальтов Хингано-Олонойской вулканической зоны из тектонически ненарушенных покровов зафиксировано практически полное отсутствие микротрещин. Только в нескольких шлифах этих пород, отобранных из краевых участков вулканического покрова, где незначительно проявлена тектоническая трещиноватость в таблитчатых кристаллах плагиоклаза, в редких случаях отмечаются микротрещины шириной 0,1-0,3 мм (в плагиоклазах) и 0,02-0,01мм (в авгитах), выполненным серицитом, иногда вторичным амфиболом (уралитом). Оказалось, что эти авгитовые базальты обладают и высокими значениями физико-механических свойств: плотность - 2,82 г/см , прочность -215 Мпа; скорость распространения продольных упругих волн - 5,75 км/с. Также у авгито-оливиновых базальтов Нижне-Амурской вулканической зоны у образцов без микротрещиноватости из тектонически ненарушенных частей массивов также наибольшие значения плотности 2,83 г/см3, прочности -126 МПа, скорости распространения продольных упругих волн - 5,16 км/с. (Табл. 3.2.1.) А вот образцам этих базальтов микротрещиноватых пород из зон с повышенной тектонической трещиноватостью присущи гораздо более низкие величины этих же параметров: плотность - 2,25 г/см3, прочность - 22 МПа, скорость распространения продольных упругих волн - 3,74 км/с.
В шлифах авгито-оливиновых базальтов можно наблюдать, что зерна плагиоклаза и пироксена разбиты неправильной системой микротрещин, которые полностью или частично заполнены уралитом и рудным минералом. Аналогичная зависимость свойств эффузивных пород от степени тектонической нарушенности и микротрещиноватости устанавливается у оливиновых базальтов Хурбинского покрова Вандано-Мяо-Чанской зоны и варьирует у плотности от 2,78 г/см для образцов из тектонических ненарушенных массивов до 2,26 г/см для микротрещиноватых образцов из массивов с повышенной микротрещиноватостью. Аналогично изменяются прочности с 163 МПа до 45 Мпа, скорости распространения упругих волн с 5,44 до 3,05 км/с. В оливиновых базальтах в трещинах моноклинного пироксена, размер которых 0,1-0,4 мм, развиваются амфибол, магнетит, иногда эпидот. Для зерен оливина характерны неправильные изгибающиеся трещины, обычно заполненные хризолитом и магнетитом, редко зеленым иддингситом. Анализ микротрещиноватости показывает, что такая же зависимость основных параметров физико-механических свойств прослеживается на остальных исследованных и опробованных массивах эффузивных пород (таблица 3.2.1.). Трещи новатость горных пород характеризует структуру массива, его пространственную неоднороднорсть, анизотропность, она определяет все основные инженерно-геологические свойства и характеристики, прочность горных пород, устойчивость (Ломтадзе В.Д., 1984): деформируемость; характер деформаций и их величина; водопроницаемость, влагоемкость, водоносность; глубину проникновения агентов выветривания и их интенсивность; развитие коррозионных и карстовых процессов и проникновение карста на глубину; температурный режим пород; скорость распространения сейсмических волн и сейсмостойкость пород; крепость горных пород и степень трудности их разработки; конструкцию сооружений, для которых они являются средой или основанием.
Как видно из перечня, приведенные характеристики определяют все основные параметры, предопределяющие нормальную эксплуатацию сооружений, горных выработок в составе городов, поселков, предприятий, станций, портов и по сути целых регионов. Особенно это касается протяженных линейных сооружений транспортной системы Дальневосточного региона и, в частности, сети железных дорог. Здесь возникновение вывалов в тоннелях, обвалов в выемках и полувыемках и возникновение многих опасных природных и природно-техногенных геологических процессов и явлений определяется трещиноватостью скальных горных пород. Иными словами трещиноватость является одним из главнейших признаков горных массивов, определяющих условия возникновения и существования барьерных мест на постоянных устройствах сети железных дорог Дальневосточного региона. Автором исследовалась трещиноватость в магматических массивах интрузивных и эффузивных пород Буреинского срединного массива и Сихотэ-Алиньской геосинклинальной системы. 1. Изучалась трещиноватость позднеапалеозойских биотитроговообман-ковых гранодиоритов (Pz3). Выход гранодиоритов находится в первальной части хребта Малый Хинган (абс. отм. 640 м), в районе разъезда Перевальный, в восточной краевой части Буреинского срединного массива с наложенными на него более молодыми структурами Хингано-Буреинского прогиба и проходит вдоль его оси, имеющей здесь северо-восточное простирание. Буреинский срединный массив занимает центральное место в Амурском геоблоке, находящемся в северо-западной части Тихоокеанского подвижного пояса. Неотектоника района сложная, он находится на границе между опускающимся и поднимающимся в настоящее время участками земной коры (Корчагин Ф.Г.,2000). По составу гранодиориты однородные, светло-серые, структура порфиро-видная крупно-средне-зернистая, и местами выраженной текстурой течения, проявленной в субпараллельной ориентировке длинных осей крупных вкрапленников полевых шпатов. Гранодиориты рассечены дайкой флюидальных игнимбритов липарито-дацитов мощностью до 40 см (Аз. пад. 220, угол падения 60), многочисленными зонами милонитизации и рассланцевания северо-западного простирания с падением на юго-запад и несколькими устойчивыми системами трещин, разбивающими породы на блоки различной формы: субизометричной, параллелепипедной, ромбоэдральной, пластинчатой и тонкоплитчатой (характерной для зон милонитизации).
Трещины тектонические, сколовые, однотипные, плоские, ровные, субпараллельные, видимая их протяженность от дециметров до 10 метров. В глубине трещины выполнены кварцем, также проявляется лимонитизация, наблюдаются кальцитовые прожилки. Ограниченно проявляется медная минерализация. Непосредственно у поверхности трещины заполнены песчано-глинистым материалом. Трещиноватость изучалась в откосах искусственной выемки глубиною до 35 метров, находящейся на кривой 300 м. Наибольшие углы заложения откосов наблюдаются в центральных частях выемки и составляют около 60 на правом откосе и около 55 на левом откосе. До этого и после центрального участка скальные откосы имеют углы заложения 30 - 55 и положе. Были изучены элементы трещиноватости: густота трещин разных систем, выражающаяся расстоянием между соседними трещинами этой системы (а, см); ширина трещины (Да, мм); протяженность трещины в плоскости обнажения (L, см); угол падения плоскости трещины (Э); азимут падения плоскости трещин (а). Выявлено шесть систем трещин со среднестатистическими параметрами: I система (азимут падения 223, угол падения 51, Да = 1мм, ai= 13 см); II система (азимут падения 324, угол падения 54, Да = 6 мм, лш= 21 см); Ш система (азимут падения 82, угол падения 51 , Да = 4,4 мм, а, = 19,3 см); IV система (азимут падения 31, угол падения 47, Да = 1,4 мм, а-ш= 14 см); V система (азимут падения 170, угол падения 22, Да = 0,8 мм, aj= 13 см); VI система (азимут падения 307, угол падения 61, Да = 3,8 мм, а= 70 см); Основными являются три устойчивые системы трещин (I, П, ІП). Они наблюдаются на всем протяжении выемки. На других локальных участках вместе с основными появляются новые системы трещин (IV;V; VI;) (рис. 3.2.1.,3.2.2.). Особенностью выемки является то, что она находится на кривой малого радиуса (R=300 м). Из-за этого касательная к оси выемки поворачивается на 930 через каждые 50 метров. Примерно на такой же угол изменяется простирание искусственных откосов выемки. В условиях выдержанных элементов залегания плоскостей трещиноватости вследствие такого поворота секущей плоскости откоса в пределах сравнительно непротяженной выемки (240 м) наблюдаются три основные типа нарушения устойчивости (Рис.3.2.3.) ( Гудман Р., 1987):
Оценка инженерно-геологических условий функционирования тоннелей
В настоящем разделе анализируются инженерно-геологические условия, в которых функционируют тоннели на сети железных дорог Дальневосточного региона. Всего насчитывается тринадцать тоннельных переходов (далее их будем называть тоннелями), значительная часть из них представляет собою два тоннеля: один для движения в нечетном, второй - в четном направлении. Шесть тоннелей - Рачинский, Тарманчуканский, Касаткинский, Казачин-ский, Облученский, Лагар-Аульский - пересекают южные отроги горной страны Малый Хинган и ее граничную область с Зее-Буреинской равниной на участке Транссиба протяженностью около 80 км. Они носят название Хинганские тоннели. Дуссе-Алиньский тоннель пересекает перевальный участок Буреинского хребта линии Новый Ургал - Комсомольск. Два тоннеля пройдены в перевальных участках Сихотэ-Алиньского хребта. Кузнецовский - на северном Сихотэ-Алине в пределах одноименного перевала, на линии Комсомольск - Советская Гавань; Сихотэ-Алиньский - на южном, в районе ст. Тигровая, линии Угловая - Находка. Два тоннеля расположены в месте пересечения Транссибом р. Амур, это большой тоннель под р. Амур и на ст. Амур, в черте г. Хабаровска. Кипарисовский и Первореченский тоннели пройдены в южном Приморье в пригороде и в черте г. Владивостока. Тоннели имеют большой срок эксплуатации. Облученские тоннели построены приблизительно в 1912 -1914 гг., а самый молодой Амурский - в 1938 - 1942 гг. Все тоннели построены и эксплуатируются в очень сложных инженерно-геологических условиях.
При личном участии автора в научно-исследовательских и проектных работах были проведены исследования на девяти тоннелях. Работы включали геологическую съемку районов тоннелей, инженерно-геологическое описание местности и опробования горных пород, тахеосъемку и нивелирование профилей, геофизические исследования. Главными результатами этих работ стали геологические карты районов тоннелей, геофизические профили по осям и в крест простирания тоннелей, данные о физико-механических свойствах горных пород, данные о тектонических условиях районов тоннелей, оценка трещино-ватости и блочности горных пород. Существенная часть этих материалов изложена в разделах настоящей диссертации при оценке физико-механических свойств горных пород, описании кор выветривания, условий трещиноватости и блочности. Это данные по массивам Кузнецовского, Тарманчуканского, Облученского, Лагар-Аульского, Дуссе-Алиньского тоннелей (участков). Весьма показательным примером является Лагар-Аульский тоннель, построенный в 1912-1914 гт. и реконструированный в 1976 - 1987 гг. Он пройден в толще эффузивов кислого состава низкой, средней и малой прочности. Эффузивные породы прорваны дайками пикритов и лимбургитов. Коренные эффузивные породы почти повсеместно перекрыты рыхлыми, четвертичными отложениями элювиального, делювиального и аллювиального происхождения (рис. 3.5.1.,3.5.2.). Элювиально-делювиальные образования представлены дресвяными и щебенистыми фракциями с суглинистым заполнителем.
Это зона выветривания эффузивов. Ее мощность не превышает 2,0 м. Аллювиальные отложения распространены только в пределах лога с восточной стороны тоннеля и представлены пылеватыми песками с включениями гравия. Их максимальная мощность - 25,0 м. Основную роль в формировании инженерно-геологических условий тоннеля играют риолиты, риолит-порфиры - породы малой и средней прочности, риолит-дацитовые порфиры - массивные породы порфировой структуры, имеющие прочность по трассе тоннеля от весьма низкой до средней. Дайковые образования лимбургитов и пикритов - породы очень прочные (Ксж 120Мпа), плотность 3,Юг/см3, имеют очень незначительное распространение по оси. Тоннель находится вблизи двух неотектонических разломов, наибольшее влияние на него оказывает разлом северо-восточного простирания. Именно его влиянием, по-видимому, определяется сильная трещиноватость пород в западной части тоннеля. Здесь на протяжении около 400 м инженерно-геологические условия существенно осложнены крутопадающей тектонической зоной дробления. По оси тоннеля породы интенсивно изменены, трещиноваты. Они разбиты системами тектонических трещин и трещин выветривания, создающих густую блочность массива, класс трещиноватости Б-2 (по Рац М.В., Чернышев С.Н., 1970). Район характеризуется высокой сейсмической опасностью (9 баллов по карте ОСР-97/С). Описанные особенности геологической среды характеризуются как инженерно-геологические условия третьей категории - сложные (по СП 11-105-97, приложение Б.). Несмотря на проведенную реконструкцию, в настоящее время в тоннеле проявляются деформации (до 1,0 м) сводовой части обделки и значительные капежи и течи. Поезда имеют ограничение скорости движения. Детальное изучение инженерно-геологических условий массива, вмещающего Лагар-Аульский тоннель, позволило произвести прогнозирование неблагоприятных процессов и явлений и разработать рекомендации по их ликвидации или уменьшению. В тоннеле выделяются шесть участков проявления неблагоприятных процессов: 1. В пределах колец 50-250 (ширина кольца составляет 1,0 м). В этом месте к сводовой части тоннеля подходят пологонаклонные покровы и их контакты с щебенистовой поверхностью. Над тоннелем на протяжении этого участка было задокументировано болото небольшой мощности отложений с питанием дождевыми водами, которое является естественным аккумулятором влаги. Вода по пологим поверхностям контакта попадает в тоннель.
Для предотвращения явления в дальнейшем наиболее эффективным средством является осушение или ликвидация болота. 2. В пределах колец 600-630. Здесь тоннель пересекает крутопадающий раз лом в риолит-дацитовых порфирах, и наиболее опасны два процесса: - капеж, который будет проявляться в периоды сильных проливных или затяжных дождей. Дебит этого водопроявления невелик, так как площадь водосбора находится в привершинистой наклонной, залесенной части горного массива; - обрушение свода, вызывающее деформации обделки. 3. В пределах колец 930-1006 тоннелем пересекается дайка пикритов и лимбургитов. Породы, очень прочные и плотные в образце, имеют несколько систем трещин и разбиты на блоки. Здесь наиболее опасным является процесс обрушения свода выработки и, как следствие, деформации обделки. Для пре дотвращения этого процесса в подобных случаях применяются анкерные креп ления. Второй процесс - капеж. Мероприятие по предотвращению - нагнетание цементных растворов за обделку. Оба описанных процесса ярко проявляются. 4. В пределах колец 1020-1073 наблюдается тектонический разлом в риолит-дацитовых порфирах и риолит-порфирах. Активно проявляется обрушение свода, деформация обделки и капеж (подтверждаются данными ПЧ-1). 5. В пределах колец 1075-1172 тоннель пересекают дайка пикритов и лимбургитов. Опасный процесс - деформация обделки. Капеж на участке более интенсивный, чем на аналогичном № 3, так как область питания находится на более пологом склоне. Для предотвращения деформации целесообразно применение анкеров, а для предотвращения капежа - регулировка поверхностного стока на дневной поверхности. 6. В пределах колец 1180-1210 тоннелем пересекаются крутопадающие контакты между щебнистым грунтом с суглинистым заполнителем и кварцевыми порфирами. По контактам дождевая вода проникает в тоннель. Для предотвращения этого явления необходима регулировка поверхностного стока. Прогноз геологических процессов сведен в таблицу 3.5.1.
