Введение
В реферате рассматриваются наиболее существенные вопросы проектирования тоннелей на железных и автомобильных дорогах, для студентов факультета «Мосты и тоннели».
Рассмотрены: вариантное проектирование и технико–экономическое сравнение вариантов тоннельных участков линий; влияние инженерно–геологических условий на выбор варианта трассы; особенности проектирования подводных тоннелей и подходных рамп; защита тоннелей от поверхностных и грунтовых вод и некоторые особенности проектирования тоннелей в районах с суровыми климатическими условиями.
В реферате приводятся основные способы геологических изысканий при сооружении тоннелей, наиболее важные нормативы и некоторые вспомогательные данные, необходимые для проектирования.
Методика инженерно-геологических изысканий
Любое подземное сооружение представляет собой пространственную конструкцию, подверженную воздействиям сил давления окружающих горных пород.
Интенсивность силовых воздействий обусловливается свойствами прорезаемых тоннелем пород, характером напластований, гидрогеологическим режимом подземных и поверхностных вод и рядом других геологических признаков, подлежащих исследованию в процессе изысканий.
При проектировании обделки тоннеля необходимо учитывать многообразие инженерно-геологических факторов, а также характер ее взаимодействия с окружающей породой.
Окружающие обделку горные породы должны обладать необходимой устойчивостью так в период строительства, так и в процессе эксплуатации. Смещение отдельных неустойчивых пластов и блоков породы, подрезаемых подземной выработкой, может вызвать большое одностороннее давление, вследствие которого недостаточно надежно закрепленная выработка может обрушиться. В первую очередь это относится к портальным участкам, где массив подвергается особенно интенсивному нарушению при разработке подходной выемки и проходке тоннеля (рис. 2.1).
Рис. 2.1 – Портальный участок тоннельной выработки, обрушившийся из-за несвоевременного сооружения обделки: а – вид до разрушения; б – вид после разрушения
Задачей инженерной геологии применительно к подземным сооружениям является установление наиболее вероятного прогноза неблагоприятных процессов и явлений, могущих возникнуть в конкретных геологических условиях в связи с нарушением выработкой целостности массива, и разработка соответствующих рекомендаций против их проявлений.
Объем инженерно-геологических работ, их состав и содержание определяются стадией проекта и сложностью сооружения.
Для технико-экономического обоснования (ТЭО) принимаемых проектных решений производится инженерно-геологическая съемка местности.
Основой для нее служит топографический план масштаба 1:5000 или 1:2000, а в необходимых случаях и 1:500.
Инженерно-геологические карты (рис. 2.2), составляемые на основе материалов съемки, должны отражать мощность, падение и простирание свит, пачек и слоев горных пород, степень их обводненности, генезис и характер выветривания, расчетные показатели геотехнических свойств, формы тектонических нарушений, глубину залегания водоносных горизонтов, дебит и химический состав подземных вод.
Pиc. 2.2 – Инженерно-геологическая карта района расположения будущей железнодорожной линии: 1 – аллювий; 2 – среднезернистый гранит; 3 – известняк; 4 – мергель
В некоторых случаях составляются вспомогательные карты-срезы (рис. 2.3) при помощи геофизических методов для данной определенной глубины. Карты-срезы позволяют получить дополнительные сведения об угрожающих сооружению геологических процессах. Масштаб такихкарт определяется степенью детализации изысканий.
Рис. 2.3 – Карта-срез на отметке 700 (см. рис. 2.2): 2 – среднезернистый гранит; 3 – известняк; 4 – мергель; 5 – зона тектонического разлома
Основным видом геологических изысканий на стадиях технического проекта и рабочих чертежей служит разведочное бурение в сочетании с геодезическими методами разведки. По результатам этих изысканий корректируется окончательное положение тоннеля в плане и профиле.
Объемы буровых работ (таблица 2.1) определяются Техническими условиями и инструкцией на производство инженерно-геологических изысканий и зависят от степени сложности геологической обстановки.
Таблица 2.1 – Ориентировочные объемы железнодорожных и работ для проектирования автодорожных тоннелей
Глубина разведочных скважин устанавливается из условия бурения их на 6 м ниже отметки основания тоннеля.
В случае неустойчивых пород, залегающих в указанных пределах, глубина скважин увеличивается и доводится до врезки на 2 м в нижележащие устойчивые породы.
Разведочные скважины подразделяются на геологические и на гидрогеологические. Первые из них служат для построения продольных и поперечных геологических разрезов, а также для определения геологического строения, геотехнических свойств и литологического состава горных пород. Вторые предназначены для выявления дебита, горизонта и химического состава подземных вод, коэффициентов фильтрации пород и определения величины возможного гидростатического давления на обделку тоннеля.
Геофизические методы исследований основаны на изучении строения земной коры косвенным путем. Этими методами исследуются реакции разнообразных физических полей на особенности залегания горных пород, обладающих различными свойствами.
По характеру используемых физических полей геофизические методы исследований подразделяются на шесть основных: электрометрию, сейсмометрию, ядерные методы, термометрию, магнитометрию и гравиметрию.
Из всех геофизических методов наибольшее распространение получила электрометрия (электроразведка), имеющая значительное количество различных модификаций, использующих как естественные (природные) электрические поля, так и искусственные, возбуждаемые в породах внешними источниками энергии.
Один из методов, использующих естественные электрические токи, основан на исследовании локальных электрических полей и называется методом естественного тока (ПС) или методом собственной поляризации (СП).
При помощи этого метода можно решать ряд задач инженерно-геологического и гидрогеологического характера, например, картирование контактов литологически различных пород, выявление зон разлома, перекрытых четвертичными отложениями небольшой мощности, изучение движения подземных вод и др.
Из методов, использующих постоянные, пульсирующие и в редких случаях переменные электрические поля низкой частоты, искусственно создаваемые в земле источниками тока, наибольшее распространение получил метод сопротивлений.
На этом методе основаны следующие приемы работ: вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ), электропрофилирование и каротаж по методу сопротивлений.
Принцип ВЭЗ заключается в следующем. Пропуская ток через два электрода А и В, можно в любом месте линии, соединяющей эти электроды, замерить разность потенциалов ΔU. Зная силу тока в питающей цепи, можно вычислить удельное сопротивление измеряемого участка.
где ΔU – разность потенциалов между точками M и N;
I – cила тока;
k – коэффициент, зависящий от расположения электродов.
При увеличении расстояния между питающими электродами А и В ток проходит по всем более глубоким слоям, в результате чего можно установить границу слоя с электрическим сопротивлением, отличным от вышележащего (рис. 2.4).
Рис. 2.4 – Схема геологической разведки методом электросопротивлений: а – электроразведочная установка с источником тока Б; А и В – приемные электроды; М и N – приемные электроды; б – кривая зондирования
Сущность электропрофилирования заключается в том, что кажущееся сопротивление измеряется при помощи установки с постоянным разносом линий АВ и МN, перемещаемой вдоль заданного профиля.
Этим методом можно установить характер изменения сопротивления по площади разведки.
Каротаж по методу сопротивлений является основным геофизическим методом документации разрезом буровых скважин. Изучение горных пород, окружающих ствол скважины, производится по их удельным электрическим сопротивлениям. Этот способ основан на измерении силы тока в электрической цепи, в которой один электрод расположен на поверхности, а второй перемещается по скважине.
Кроме указанных методов электроразведки, непосредственное отношение к инженерной геологии имеет метод заряженного тела. Модификация этого метода применяется для определения направления и скорости движения подземных вод по одиночной буровой скважине. По степени электропроводности пород можно судить о их влажности, о наличии и направлении трещин, обнаруживать заполненные водой карстовые полости и выявлять водоносные слои.
Целесообразность использования геофизических методов зависит от топографических условий местности и от мощности четвертичных отложений.
По результатам изысканий проведенных при помощи разведочного бурения и электроразведки составляется сводный инженерно-геологический отчет, который обычно состоит из первичных документов, общей части и инженерно-геологических выводов.
Для проектирования тоннеля наиболее важными являются следующие данные отчета:
- геологическая структура и устойчивость горного массива;
- наличие зон размыва, провалов, оползней и карстов, а также сов, складок и др.;
- ожидаемое горное давление и вероятность встречи участков со значительным давлением;
- зоны и характер возможных обрушений и вывалов породы при ее разработке;
- физико-механические свойства пород и их крепость в отношении разработки;
- сопротивляемость пород выветриванию и выщелачиванию;
- пучение пород и его интенсивность;
- теплопроводность пород и ожидаемая температура в подземной выработке;
- углы естественного откоса пород;
- характер трещиноватости пород;
- характеристика водоносных горизонтов, направление и скорость движения подземных вод, а также величина ожидаемых притоков воды в подземные выработки. Коэффициент фильтрации пород;
- химический состав пород и подземных вод и степень их агрессивности;
- подземные газы;
- месторождение местных строительных материалов, их запасы и качественная характеристика;
- источники хозяйственного и технического водоснабжения;
- возможность использования породы для нужд строительства.
При заложении тоннелей на глубине свыше 300 м разведочное бурение не производится и заменяется геофизическими методами разведки в сочетании с проходкой горизонтальных выработок по оси будущего тоннеля, что позволяет составить представление о геологическом строении горного массива и решить комплекс инженерно-геологических вопросов, не прибегая к выполнению трудоемких и дорогих в этом случае буровых работ. Наибольший эффект от применения геофизических методов достигается при сочетании их с другими видами инженерно-геологических исследований.