Повышенное напряженное состояние некоторых скальных массивов

Широко известны опасные сдвижения горных пород и другие процессы (горные удары, вывалы пород, “стреляние”, выбросы газов, мощные водопритоки и пр.) в различных подземных и некоторых заглубленных сооружениях, происходящие под воздействием повышенных напряжений во вмещающих скальных массивах. Эти смещения и процессы могут использовать существующую блочность массива и присутствующие в нем разрывы и трещины, но могут развиваться и самостоятельно по краям выемки без учета указанных структур. Более того, они возникают только при появлении такой выемки и развиваются в соответствии с ее расширением. Поэтому подобные сдвижения (конвергенция — схождение стенок выработки за счет выпирания ее бортов) по существу не являются результатом саморазвития существующих тектонических структур, а отражают реакцию массива на появление в нем полости определенного размера и формы. В таком качестве они, очевидно, не могут относиться к собственно тектоническим (эндогенным) процессам и движениям, т.к. спровоцированы техногенезом, хотя порождающие их повышенные напряжения считаются тектоническими. С другой стороны, некоторые виды активной тектоники, например, рифтогенез, не сопровождаются повышенным напряженным состоянием скальных массивов. Следовательно, нельзя считать тождественными области активной тектоники и области повышенного напряженного состояния скальных массивов.
В региональном плане повышенные напряжения в скальных массивах связываются преимущественно с горно-складчатыми, особенно новейшими орогеническими областями. При этом считается, что тектоническую природу имеют субгоризонтальные напряжения, существенно превышающие вертикальные, образовавшиеся за счет геостатического давления (веса вышележащих пород). Разрабатываются разнообразные схемы изменения напряженно-деформированного состояния скальных массивов для расчлененного, преимущественно горного рельефа (например, для системы “гора-долина”, для поднимающегося орографически выраженного блока и т.п.). Но анализируется на самом деле распределение напряжений преимущественно в зависимости от положения сооружения (выработки определенной формы) по отношению к рельефу земной поверхности (например, вблизи склона горы, ниже уровня дна ближайшей долины и т.д.). А соответственно тектонические структуры в расчетах, как правило, отсутствуют.
В действительности на крупнейших подземных сооружениях выявляется сложная картина перераспределения напряжений в процессе строительства. Эго свидетельствует о том, что напряженное состояние единого тектонического блока, в котором, как правило, размещено сооружение, является свойством именно этого блока, не зависящим ни от общих тектонических воздействий в регионе, ни от влияния смежных блоков и разрывов. В противном случае напряженное состояние вокруг сооружения либо не должно было существенно меняться, либо очень быстро восстанавливалось бы до прежнего уровня с сохранением прежней скорости деформации сооружения, что не подтверждается практикой.
В качестве примера можно привести строящуюся длительное время Рогунскую ГЭС в Таджикистане. Здесь крупный гидроузел расположен в едином тектоническом блоке между активными разломами (№ 1 — Ионахшским и № 35). Машинный зал имеет проектные длину 220 м, ширину 21 м и высоту 70 м. Параллельно на расстоянии в осях 63 м расположено помещение трансформаторов с проектными длиной 182 м, шириной 19 м и высотой 37 м. Эти сооружения находятся на глубине около 400 м в прочных песчаниках с прослоями алевролитов. Наблюдения за деформациями ведутся с 1986 г. За 10 лет при проходке машзала реальная конвергенция стен превысила проектную в 4 раза и составила в песчаниках 280 мм и в алевролитах 630 мм при достигнутой высоте машзала 35 м. После этого конвергенция стен здесь практически закончилась, снизившись в песчаниках до 0,5-1 мм/год, а в алевролитах заметно уменьшилась в последующие 5 лет до скоростей 7-10 мм/год.
Некоторая регенерация напряжений в непосредственном окружении сооружения происходит в гораздо более короткие сроки. Так, для того же машзала Рогунской ГЭС зона неупругих деформаций (зона разгрузки) формировалась в течение 130-150 дней в песчаниках и 250-300 дней в алевролитах. Но наиболее активное разуплотнение длилось соответственно 30 и 50 дней. Процесс регенерации упругих свойств массива начинается в глубине зоны и продвигается в сторону выработки. Полный цикл регенерации завершился за 1600-1800 дней. Следовательно, весь этот процесс находится в пределах стадии активной конвергенции стен, а завершение конвергенции происходит уже при восстановившихся упругих свойствах вмещающего массива.
В пользу обособленности напряженного состояния, по крайней мере, крупных блоков, ограниченных разрывами с более или менее значительной разрывной зоной, свидетельствует тривиальный факт обычной разгрузки напряжений в пределах подобных зон. В качестве примера можно привести туннель Монблан между Францией и Италией (длина 11,6 км, ширина дороги 7 м, мощность толщи пород над туннелем до 2,5 км). Эта часть Альпийского новейшего орогена сложена палеозойскими гнейсовидными гранитами, сланцами и гнейсами, По альпийским надвигам развиты зоны милонитизации (рис. 1.2). Даже в этой тектонически активной области оказалось, что поле напряжений определяется гравитационной нагрузкой, а зоны повышенных напряжений связаны с горными вершинами. Именно в таких зонах отмечалось “стреляние” пород. Напротив, в зонах милонитизации, разделяющих основные тектонические блоки (тектонические чешуи), напряжение снижалось до 0,4 его максимальной величины. Многочисленные измерения напряжений в обделке туннеля показали, что по окончании строительства явления, связанные с разгрузкой, прекратились, и давление на свод туннеля понизилось. Передача повышенных напряжений от блока к блоку через зоны разгрузки напряжений представляется маловероятной.

На некоторых крупных подземных сооружениях было установлено, что активные разломы влияют на них не столько своей подвижностью, сколько раздробленностью пород, т.е. их пассивное влияние на условия строительства больше активного.
Примером может служить строительство в Армении туннеля Арпа-Севан протяженностью 35,5 км (рис. 1.3). Туннель пересек Варданисский хребет на глубине до 1200 м и активный Анкаван-Сюникский разлом. В зоне последнего развиты подвергающиеся пучению глины и глинистые брекчии. Здесь из-за повышенного всестороннего (т.е. не связанного с направленным разрывным смещением) горного давления применены более тяжелые, чем было предусмотрено проектом, типы обделок. Рядом с разрывной зоной происходили неоднократные выбросы породы (отброс на расстояние до 50 м) и углекислого газа, затормозившие на долгое время производство работ в туннеле. В трещиноватых вулканогенных породах фактические водопритоки (с расходом около 1 000 л/с) значительно превысили прогнозируемые.

При строительстве крупных подземных сооружений, например, машинных залов и других объектов ГЭС, даже если они расположены в едином тектоническом блоке, при раскрытии подземной выработки происходит перераспределение напряжений, имевших место в нетронутом скальном массиве. Продолжительность их увеличения зависит от величины внутреннего напряжения массива, деформационных свойств и степени ползучести скальной породы. Степень общей нарушенности вмещающего тектонического блока (присутствие трещин, разрыва, слоистости) наряду с другими факторами (обводненность и пр.) способствует разрушению структурных связей между естественными локальными блоками скального массива. Это приводит к сдвигу пород (блочных или дезинтегрированных) внутрь выработки. Деформации могут быть относительно медленными (со скоростями до нескольких см в год или даже в месяц) или мгновенными со “стрелянием”, отбросом пород на десятки метров, вывалами, выбросом газов, большими водонритоками, в том числе термальными, и т.п.
Обычная организация работ, когда в первую очередь осуществляется выработка под-сводового пространства и бетонирование свода, под защитой которого производится дальнейшая разработка скалы, может привести к перенапряжению бетонного свода, раскрытию в нем трещин, а соответственно — к деформациям свода, стен и колонн. Для их компенсации применяется широкий круг мероприятий: регулирование сроков разработки и бетонирования, использование менее жестких (податливых) конструкций как временного, так и постоянного крепления свода, траншейная разработка стен и зданий, формирование зазора между скалой и бетонными стенками, деформационные швы, различные прокладки и т.п. Считается, например, что податливая анкерная крепь создает армопородные конструкции, воспринимающие значительные нагрузки.
Таким образом, конкретная зависимость повышения напряженного состояния в единых приповерхностных тектонических блоках (скальных массивах) от тех или иных активных структур не фиксируется и соответственно не прогнозируется. В практике инженерных изысканий повышенное напряженное состояние осваиваемого горного массива выявляется обычно эмпирическим путем при бурении или заложении глубоких горных выработок.
Изучению напряженного состояния скальных массивов и его преобразованию при выемке значительных масс горных пород и строительстве заглубленных или подземных сооружений посвящены разделы механики горных пород. Существует буквально необозримая по своей обширности литература по угольному и горно-рудному шахтному и гидротехнтческому строительству, касающаяся вопросов напряженного состояния массивов горных пород. Рассматриваются природа различных выбросов, особенно горные удары и влияние взрывов. В этой литературе, конечно, присутствует аспект необходимости изучения тектонического строения породных массивов, но их напряженное состояние является основным и самостоятельным предметом научного и научно-прикладного исследования. При этом указанный тектонический элемент рассматривается лишь как осложняющий распределение и развитие напряжений, а не генерирующий их.
Из сказанного следует, что опасные сдвижения горных пород в строительных выработках, строго говоря, не входят в категорию тектонических движений, хотя повышенное напряженное состояние тех или иных скальных массивов, по-видимому, имеет в значительной мере тектоническую природу. Поэтому данный вид опасных смещений должен рассматриваться в качестве самостоятельного опасного геологического процесса. Поскольку напряжения изучаются с помощью множества специфических методов геодинамического анализа, данный вид опасных геологических процессов следует считать геодинамическим и относить к инженерной геодинамике.
Тем не менее, проблема природы повышенных субгоризонтальных напряжений в приповерхностных горных массивах остается. И ее решение возможно в предположении относительно кратковременного воздействия общего (регионального) поля тектонических напряжений на тот или иной горный массив. В остальное время последний способен лишь к разрядке напряжений, которая и фиксируется в подавляющем большинстве подземных строительных объектов.
Тектоническая “подпитка” напряжений внутри блоков возможна, очевидно, при активизации общего сжатия вкрест основных разрывных зон, когда это сжатие не разряжается соответствующими разрывными смещениями. Но само формирование и активность таких (основных) разрывов свидетельствует о непостоянстве (кратковременности) сжатия в указанном направлении. Подобная “подпитка” вероятна в областях преобладания сжимающих эндогенных усилий и в соответствующие геологические эпохи или “мгновения”. Естественно, что в областях преобладания растяжений (например, в областях рифтогенеза) подобные условия наименее реальны и наиболее кратковременны. Поэтому в них напряженное состояние внутри подавляющего большинства даже крупных блоков определяется главным образом геостатическим давлением.
Из сказанного ясно, что каждый крупный приповерхностный скальный массив-блок обладает самостоятельным напряженным состоянием, зависящим от ориентировки смежных зон разгрузки фоновых (тектонических) напряжений. Его тектоническая “подпитка” осуществляется при благоприятном сочетании ориентировки фоновых напряжений и обрамляющих разрывов. Поэтому напряженное состояние даже смежных блоков (скальных массивов) может быть разным, что и наблюдается в действительности.
В остальное время приповерхностный скальный массив сохраняет свое обособленное напряженное состояние, которое поддерживается в основном геостатическим давлением. Реликтовая же собственно тектоническая составляющая постепенно сокращается до нового этапа (момента) “подпитки” региональным или межрегиональным полем тектонических напряжений.
Таким образом, даже в областях активного проявления приповерхностных межрегиональных и региональных субгоризонтальных сжимающих напряжений их большая часть реализуется в разрывных движениях. И только при благоприятном сочетании ориентировки основных разрывов и таких напряжений происходит значительное увеличение внутриблокового напряженного состояния скальных массивов. Именно этим в значительной степени объясняется, по-видимому, локальность формирования интенсивной, в том числе изоклинальной складчатости и нередкая ее приуроченность к разрывным и межразрывным зонам. Соответственно, напряженное состояние разных, даже смежных приповерхностных скальных массивов может существенно различаться. Но в более глубоких частях земной коры характер распространения тектонических напряжений может быть существенно иным, в том числе едином для весьма значительных объемов, т.е. систем структур.