ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ МАССИВА НА УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОХОДЧЕСКОГО ЗАБОЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ МЕТРОПОЛИТЕНА

Алексеев А.В.¹, Иовлев Г.А.²

¹Аспирант кафедры Строительства горных предприятий и подземных сооружений, Санкт-Петербургский Государственный Горный Университет, ²Аспирант кафедры Строительства горных предприятий и подземных сооружений, Санкт-Петербургский Государственный Горный Университет

ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ МАССИВА НА УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОХОДЧЕСКОГО ЗАБОЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ МЕТРОПОЛИТЕНА

Аннотация

В статье рассматривается влияние геологического нарушения на забой тоннеля. Выявлен ряд эффектов, возникающих при подходе к нарушению. В статье приведены и сопоставлены результаты моделирования строительства тоннеля в однородной среде, а также в среде, ослабленной нарушением.

В настоящее время для строительства выработок метрополитена применяются спектр технологий, включающий наряду с современными тоннелепроходческими комплексами, применяемых для проходки перегонных тоннелей метрополитена, также и труд бригады проходчиков, используемый для проходки вспомогательных выработок. Строительство таких выработок, без щита, способом сплошного забоя осуществляется с разработкой грунта отбойными молотками и установкой временного крепления кровли и лба забоя. Для верного выбора крепи забоя, которая может гарантировать безопасные условия работы, необходимо достоверно прогнозировать напряженно-деформированное состояние в окрестности забоя, и, соответственно, устойчивое состояние, зависящее от различных факторов. Один из факторов – тектоническое нарушение был рассмотрен в данной работе. Приведена картина напряжений массива в зоне тектонического нарушения, а также характер деформирования лба забоя.

Ключевые слова: геологическое нарушение, устойчивость забоя, математическое моделирование.

Alekseev A.V.¹, Iovlev G.A.²

¹Postgraduate Student of Chair for Construction of Mining Enterprises and Underground Structures, St. Petersburg State Mining University, ²Postgraduate Student of Chair for Construction of Mining Enterprises and Underground Structures, St. Petersburg State Mining University

INFLUENCE OF THE INHOMOGENEITY OF THE SOLID MASS ON THE STABILITY OF THE MINE WORKING DURING THE CONSTRUCTION OF THE SUBWAY

Abstract

The article examines the influence of geological violation on the tunnel face. A number of effects that arise when approaching a violation are revealed. The article presents and compares the results of modeling the construction of a tunnel in a homogeneous medium, as well as in a medium weakened by a violation.

At present, a range of technologies is applied for the construction of underground workings, including the work of a team of drifters used to drive auxiliary workings as well as tunneling complexes used for the penetration of the subway tunnels. The construction of such excavations without a shield with the help of the method of continuous mine working is carried out with the development of the soil with jackhammers and the installation of a temporary fixing of the roof and the forehead of the face. It is necessary to reliably predict the stress-strain state in the vicinity of the face for the correct choice of a face support that can guarantee safe working conditions, and, accordingly, a stable state depending on various factors. One of the factors and namely a tectonic violation is considered in this paper. A picture of the stresses of the solid mass in the zone of tectonic disturbance is given, as well as the character of the deformation of the mine working.

Keywords: geological violation, mine working stability, mathematical modeling.

Согласно ВСН 190-78, при проектировании метрополитенов, при наличии тектонических нарушений должны определяться устойчивость лба забоя, кровли и боковых стен выработки, фиксироваться проявления горного давления, наличие вывалов и внегабаритных переборов грунта. Это говорит о том, что задача по определению влияния тектонических нарушений на забой подземного сооружения является актуальной научной задачей, которая, однако, не достаточно полно изучена. В настоящее время издан «Геологический атлас Санкт-Петербурга», согласно которому в кристалическом фундаменте города имеются тектонические нарушения.

Таким образом, данная работа направлена на изучение геомеханических процессов, возникающих при проходке через зоны с тектоническими нарушениями, а также рассмотрение данной расчетной ситуации, так как она может оказывать влияние на безопасность проходческой бригады, а в будущем и на нормальную эксплуатацию инфраструктурного объекта.

Очевидно, что при проходке тоннелей, так или иначе, происходит смена одной литологической разности на другую, и контакт этих разностей оказывает влияние на устойчивость проходческого забоя. В этих зонах резко изменяется давление на горнопроходческий щит, из-за развитой вблизи нарушений трещиноватости ухудшается состояние пород кровли, часто наблюдается изменение гидрогеологических условий.

Влияние тектонических нарушений изучалось в работах Гзовского М.В., Безродного К.П., Протосени А.Г., Боликова В.Е., Рыбака С.А., Михайлова В.И., и др.

При приближении забоя к нарушениям различного вида возникает напряженно-деформированное состояние, которое в зоне активной геодинамики формируется, в основном, как раз под вилянием самого нарушения. В частности, в работе Протосени А.Г., Огородникова Ю.Н., Деменкова П.А. [1] показано поле напряженных состояний в призабойной зоне в случае пологого надвига, в зависимости от мощности потолочины.

В работе [2] Безродный К.П., Мацегора А.Г, Бессолов В.А. анализируют специальные способы проходки тектонических нарушений, которые встречались при строительстве Северо-Муйского тоннеля. Отмечается, что в зонах тектонических нарушений, на контактах блоков породы разрушались, измельчались до глинисто-песчано-дресвяного состояния, образуя водопроводящие каналы, по которым циркулируют подземные воды при давлении до 5 МПа на уровне тоннеля. Данный факт говорит об возможной обводненности тектонических разломов (границы блоков) вследствие повышенной трещиноватости. В условиях Санкт-Петербурга чаще встречаются глины в перемятом состоянии. Это связано с тем, что глины пластичны, и, на контакте разлома, вследствие совместных пластических деформаций блоков образуется «перемятая» зона.

Исследование Гзовского М.В. [3] говорит о том, что явно заметно влияние горной выработки на напряженное состояние окружающего ее массива горных пород, ослабленных нарушением, однако с увеличением расстояния от забоя ее влияние постепенно исчезает и дальнейшее увеличение расстояния не сопровождается заметным изменением характеристик напряженного состояния, обусловленного тектоническими процессами. Как показывают его исследования, на противоположных крыльях одного разрыва могут быть встречены противоположные по знаку искажения напряжений.

Факторы, обуславливающие устойчивость забоя горной выработки вблизи тектонического нарушения связаны с горно-геологическими условиями, параметрами самого нарушения и зоны его влияния. Сами тектонические нарушения изменяют гидрогеологический режим. В качестве наиболее распространенных последствий перехода нарушений можно выделить ряд возникающих сопутствующих проблем:

1. Заколы кровли при крупноблочном обрушении. Данная проблема возникает вследствие обнажения участка массива, находящегося в объёмно деформированном состоянии и интенсивно теряющего сцепление с массивом. Объем закола и его вес зависят как от закономерных особенностей напряженно-деформированного состояния, так и от случайных факторов.
2. При входе подземных работ в зону влияния тектонического нарушения в кровле часто образуются вывалы и купола. Куполение – процесс трудноустранимый, и, однажды образовавшийся купол, распространяется на соседние участки обделки по мере их входа в зону нарушения. Последствия такого процесса ликвидируются путем нагнетания твердеющего раствора специального состава. Участки крепи становятся крайне неустойчивыми, поскольку нарушается схема взаимодействия обделки с массивом, и она перестает работать по контактной схеме взаимодействия.

Неустойчивость крепи забоя в таком случае обусловлена интенсивным перемещением потерявших сплошность пород. При подходе к нарушению из-за снижения прочности боковых пород увеличивается отжим пород от забоя, а также возрастает горное давление по границам зоны тектонического нарушения.

3. Наличие крупных твердых включений в массиве глин может привести к выходу из строя проходческих машин.

Формирование геологических условий Санкт-Петербурга рассматривают на фоне особенностей структурно-тектонических условий. Из данных геологического атласа Санкт-Петербурга известно, что кристаллический фундамент в границах города и области разбит системой региональных тектонических разломов, а также сетью более мелких разрывных нарушений, образуя блочную структуру (рис.1). Активную разломную тектонику фундамента связывают с расположением в зоне влияния двух крупных тектонических структур – Балтийского щита и части Русской плиты. В пределах этой зоны кристаллического фундамента зафиксировано движение блоков относительно друг друга с разной скоростью и интенсивностью в различные периоды геологического времени, в том числе и в современное (четвертичное) время.

Данные факторы указывают на наличие тектонических нарушений в условиях Санкт-Петербурга. [4, 8,9] Однако стоит отметить, что сами нарушения встречаются редко, непосредственно у забоя строящихся подземных сооружений встречаются следствия тектонических нарушений - перемятые глины и прослойки песчаников различной мощности.

Рис.1. – Структурно-тектоническая схема Санкт-Петербурга (по Л.Г. Кабакову, Е.К. Мельникову, Б.Г. Дверницкому) [4, С. 5], совмещенная с картой перспективного развития метрополитена до 2025 года (официальный сайт Петербургского метрополитена http://www.metro.spb.ru/fu

 

Оба эти явления по-разному влияют на устойчивость подземного сооружения. В дальнейшем в работе будет рассматриваться случай «перемятого» контакта глинистых блоков. В табл. 1 представлены результаты определения прочности на одноосное сжатие образцов глин, из таблицы видна закономерность изменения прочностных параметров в зависимости от размеров пробы (т.е. в глинистых породах наблюдается масштабный эффект). Следует отметить, что у ненарушенных верхнекотлинских глин этот показатель, как правило, выше, и, составляет в среднем, около 2,4-2,8 МПа. Также выявлено, что в зонах тектонических разломов прочность глин на сжатие снижается в несколько раз. Учитывая значительную глубину заложения подземных сооружений, можно сказать, что забои незакрепленных выработок, пройденных в таком массиве, будут находится в предельном или неустойчивом состоянии.

 

Таблица 1 – Влияние масштабного эффекта на прочность глин

	Значение	Площадь образца, см2
		20…26.5	40…48	98
Rсж, кПа	Минимальное ... Максимальное	700…920	240…500	1050…1400
	Среднее	810	340	1200
	Число определений	6	7	5

 

На рис.2 и рис. 3 приведены результаты исследования [4, С.16] сдвиговых параметров коренных глин в различных по глубине зонах, с учетом их трещиноватости. Важно отметить, что структурная микротрещиноватость глинистых пород играет заметную роль в прочности глин.

Рис. 2 –  Значение сцепления коренных глин в различных по глубине зонах с учетом их трещиноватости

Рис. 3 – Значение угла внутреннего трения коренных глин в различных по глубине зонах с учетом их трещиноватости

 

Задачами данной работы ставится сравнение напряжённо-деформированного состояния однородного и нарушенного массива. Принципиальные схемы моделей и основные параметры представлены на рис. 4 и рис. 6.

Рис. 4 – Принципиальная схема модели ненарушенного массива

 

Сравним напряженное состояние забоя в однородном массиве и тектонически нарушенном.

При моделировании однородного массива (рис. 4, 5) видно, что в окрестности забоя формируется неустойчивое: деформации происходят в основном за счет сдвиговых напряжений в ядре забоя, формируемых в зоне влияния. Происходит сползание объема призабойных пород в выработку по поверхности скольжения. Ядро забоя «сдвигается» в тоннель под действием сочетания сжимающих и растягивающих напряжений. В шелыге свода образуется концентрация сжимающих напряжений вследствие того, что моделирование призабойной зоны производилось без отставания крепления от забоя.

Рис. 5 – Картина формирования напряженного состояния незакрепленного забоя

 

При математическом моделировании тектонически нарушенного напряженного состояния нетронутого массива горных пород (рис.6, 7), рассмотрим массив как блочную структуру, образованную разрывным нарушением. Так как существенное влияние на напряженное состояние блочного массива горных пород оказывают взаимодействие по контактам блоков, при отсутствии данных о движении блоков на изучаемом участке, необходимо рассматривать максимальные контактные взаимодействия. Ведь встречающиеся перемятые глины есть следствие реализации пластических деформаций непосредственно на контактах блоков, вызванных их относительным перемещением.

Сами блоки задавались как упругопластические, для того, чтобы необратимые пластические процессы были сконцентрированы непосредственно на границе нарушения. Контактное взаимодействие блоков - полное сцепление. [5]

Рис. 6 – Принципиальная схема нарушенного массива

 

Характер распределения напряжений схож с исследованиями Гзовского М.В. [3], и видно, что c внешней стороны разрыва появляются значительные повышения напряжений, однако различные по знаку напряжения возникают не в пределах одного крыла, а по разным границам нарушения.

Рис. 7 – Распределение напряжений в плоскости YZ в тектонически нарушенном нетронутом массиве, кПа

 

Распределение напряжений вокруг выработки, пройденной в неоднородной среде упругих и изотропных пород показали, что в условиях однородной структуры вмещающих пород в кровле выработки появляются растягивающие напряжения, что объясняет обрушение пород кровли, а также снижется коэффициент концентрации напряжений в зоне опорного давления. Однако при математическом моделировании нарушенного массива видно, что деформация лба забоя происходит со стороны ненарушенного массива, и именно незначительная величина деформаций ненарушенного массива провоцирует значительную величину деформации нарушенного массива (рис.8).

Согласно проведенным испытаниям [4] модуль упругости нарушенных горных пород может отличаться от однородных в 3-4 раза. А для некоторых типов пород и до 7 раз. Поэтому для оценки напряженного состояния модуль упругости пород в зоне разрывных нарушений принимался в полтора раза ниже, чем в окружающем массиве.

Рис. 8 – Напряжения в забое при подходе к зоне тектонического нарушения, кПа

 

Стоит отметить, что в статье приводится один из способов учета нарушений, через максимальные контактные взаимодействия по упругопластическим блокам. Сам способ описания массива тектонической нарушенностью посредством отдельного блока, с отличными от остального массива характеристиками, вероятно, является наиболее оптимальным. В тоже время, в части способов описания контактов блоков и учета их движения, возникает целый ряд возможных вариантов, ввиду нелинейности процессов, происходящих на контакте. Для выбора лучшего способа и точности модели, в первую очередь, необходимо отталкиваться от полученных натурных данных по конкретному геологическому нарушению.

Рис. 9 – Деформации забоя при подходе к нарушению

Таким образом, проведенная работа приводит доводы о необходимости проведения специальных мер при пересечении проходкой зон с тектоническими нарушениями. Сегодняшним вариантом учёта нарушений, в соответствии с [6] на этапе проектирования подземных сооружений является рассмотрение тектонического нарушения в качестве проектного сценария. В таком случае требуется большая достоверность инженерно-геологических изысканий в зоне нарушений, далее на основе проведенных изысканий создание геомеханических моделей, аналогично приведенной в работе. По анализу данных, полученным из модели необходимо предусмотреть меры о необходимости особого внимания к данным зонам. Также, при ручном способе проходке возможно устройство конструкции временной крепи, отличной от применяемой в ненарушенной зоне тоннеля.

Заключение

Разрывные нарушения способствуют формированию неустойчивого состояния массива. Именно на участках нарушенного массива происходит резкое изменение напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Максимальные деформации незакрепленного забоя, по результатам моделирования, в приведенных случаях будут отличаться в 5 раз. (рис. 5, рис.9). Напряженное состояние тектонически нарушенного массива зависит от напряженного состояния окружающего ненарушенного массива, а при возведении тоннеля изменяется под влиянием ненарушенного массива, воздействующего на пластически деформированные границы нарушения.

В дальнейших работах авторы предполагают исследовать влияние взаимно перпендикулярно пересекающихся нарушений на устойчивость проходческого забоя.

Список литературы / References

1. Протосеня А.Г. Механика подземных сооружений. Пространственные модели и мониторинг [Текст] / А.Г. Протосеня и др.– СПб.: СПГГУ-МАНЭБ, – 2011. – 355 с.
2. Безродный П., Мацегора Г., Бессолов. Анализ специальных способов преодоления зон тектонических разломов // Сборник научных трудов. Методы искусственной стабилизации грунтов при строительстве Северо-Муйского тоннеля. -– Москва. –1990. – 157 с.
3. Гзовский М.В. Современные возможности оценки тектонических напряжений в земной коре // Тектонофизика и механические свойства горных пород, – Москва. – 1971. – С. 5-37.
4. Дашко, Р. Э. Особенности инженерно-геологических условий Санкт- Петербурга/ Р. Э. Дашко, О. Ю. Александрова, П. В. Котюков и др. // Развитие городов и геотехническое строительство. – 2011. – №1. – С. 1-47.
5. Методические рекомендации по оценке склонности рудных и нерудных месторождений к горным ударам // федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору. от 23 мая 2013 года N – URL: http://enis.gosnadzor.ru/activity/control/geology/ (дата обращения: 23.Январь.2017).
6. СП 248.1325800.2016 «Сооружения подземные. Правила проектирования» (Приказ Минстроя России от 16 июня 2016 г. № 416/пр)
7. ВСН 190-78 Инструкция по инженерно-геологическим изысканиям для проектирования и строительства метрополитенов, горных железнодорожных и автодорожных тоннелей // Минтрансстрой от 01 октября 1978 года. – URL: http://docs.cntd.ru/document/1200006793. (дата обращения: 23.Январь.2017).
8. Ядута В.Я. Новейшая тектоника Санкт-Петербурга и Ленинградской области // Минерал. – – №1. –  С. 28-35.
9. Ауслендер В.Г. Новое в геологии Санкт-Петербурга/ Ауслендер В.Г., Яновский А.С., Кабаков Л.Г. и др. // Минерал. – 2002. – №1. – С. 51-58.
10. Broere W. Tunnel Face Stability & New CPT Applications [Текст] / DUP Science. – The Nederlands. – 2001. – p. 194.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Protosenya, A. G. Mehanika podzemnyh sooruzhenij. Prostranstvennye modeli i monitoring [Mechanics of underground structures. Spatial models and monitoring ]/ G. Protosenya and others – SPb.: SPGU-MANEB, 2011. – 355 Р. [in Russian]
2. Bezrodnyj P., Macegora G., Bessolov. Analiz special'nyh sposobov preodolenija zon tektonicheskih razlomov [The analysis of the special ways of overcoming the zones of tectonic faults] // Sbornik nauchnyh trudov. Metody iskusstvennoj stabilizacii gruntov pri stroitel'stve Severo-Mujskogo tonnelja [Collection of scientific works. Methods artificial soil stabilization in the construction of the North Muya tunnel], – Moscow. – 1990. – 157 р. [in Russian]
3. Gzovskij M.V. Sovremennye vozmozhosti ocenki tektonicheskih naprjazhenij v zemnoj kore [The modern way of assessing the tectonic stresses in the earth's crust ]// Tektonofizika i mehanicheskie svojstva gornyh porod [Tectonophysics and mechanical properties of rocks], – Moscow. – 1971. – P. 5-37. [in Russian]
4. Dashko, R. Je. Osobennosti inzhenerno-geologicheskih uslovij Sankt- Peterburga [Features of engineering-geological conditions of Saint - Petersburg ] / R. Je. Dashko, O. Ju. Aleksandrova, P. V. Kotjukov and others. // Razvitie gorodov i geotehnicheskoe stroitel'stvo [The development of cities and geotechnical construction]. – 2011. – №1. – P. 1-47. [in Russian]
5. Metodicheskie rekomendacii po ocenke sklonnosti rudnyh i nerudnyh mestorozhdenij k gornym udaram [Guidelines for the assessment of the tendency of ore and nonmetallic deposits by mining strikes ] // federal'naja sluzhba po jekologicheskomu, tehnologicheskomu i atomnomu nadzoru.[ the Federal service for ecological, technological and nuclear supervision. on may 23, 2013 N 216.] – URL: http://enis.gosnadzor.ru/activity/control/geology/ [accessed: 23.Jan.2017]. [in Russian]
6. SP 248.1325800.2016 «Sooruzhenija podzemnye. Pravila proektirovanija» [The construction of underground. Design rules] [Order of the Ministry of construction dated 16 July, 2016 No. 416/PR] [in Russian]
7. VSN 190-78 Instrukcija po inzhenerno-geologicheskim izyskanijam dlja proektirovanija i stroitel'stva metropolitenov, gornyh zheleznodorozhnyh i avtodorozhnyh tonnelej [BCH 190-78 manual on engineering-geological surveys for design and construction of underground Railways, mountain train and road tunnels] // Mintransstroj ot 01 oktjabrja 1978 goda. [The Ministry of construction dated 01 October 1978.] – URL: http://docs.cntd.ru/document/1200006793 [access: 23.Jan.2017] [in Russian]
8. Jaduta V.Ja. Novejshaja tektonika Sankt-Peterburga i Leningradskoj oblasti [Neotectonics of St. Petersburg and Leningrad region ]// Mineral. – – №1. –  P. 28-35.
9. Auslender V.G. Novoe v geologii Sankt-Peterburga [New in the Geology of Saint-Petersburg ] / Auslender V.G., Janovskij A.S., Kabakov L.G. and others // Mineral. – 2002. – №1. – Р. 51-58. [in Russian]
10. Broere W. Tunnel Face Stability & New CPT Applications [Tekst] / DUP Science. – The Nederlands. – 2001. – p. 194.