» » Принципы инженерно-тектонического анализа

Принципы инженерно-тектонического анализа

Главными методическими принципами инженерно-тектонического анализа структур скальных оснований А.А. Варга считает следующее:
1. Системный подход к структуре скального массива и к сочетанию сооружения с основанием.
2. Исторнко-генетическую основу всех структурных исследований.
3. Комплексность методики инженерно-геологического анализа структур.
4. Учет принятых проектных решений.
5. Оптимальное сочетание качественных и количественных методов изучения структур.
6. Творческий подход к оценке структурных факторов с учетом опыта строительства.
Системный подход к структуре скального массива позволяет рассматривать ее как сложную иерархическую систему взаимосвязанных и взаимообусловленных структурных форм различных порядков. При оценке инженерно-геологических свойств скального массива, обусловленных структурными факторами, в единой системе анализируются скальное основание вместе с инженерным сооружением.
Как будет показано ниже, инженеры стремятся к таким конструктивным решениям, чтобы сооружение, не разрушаясь, работало вместе с вмещающим скальным массивом. Образно говоря, наблюдается тенденция все большего “вживления” сооружения в скальный массив с увеличением степени “погружения” в него сооружения.
Историко-генетическая основа инженерно-тектонического анализа заключается в том, что формирование особенностей инженерно-геологических свойств скального массива, обусловленных возникновением и часто многостадийным преобразованием разнородных структур, должно рассматриваться на фоне истории тектонического развития района и во взаимосвязи с другими геологическими процессами (магматизмом, метаморфизмом и т.п.). Соответственно, при изучении многих скальных массивов наиболее важную роль в формировании их структуры могут иметь весьма древние этапы геологического развития. Новейшие же структуры, играющие, как было показано выше, ведущую роль при обычном инженерно-геологическом районировании, могут рассматриваться как наложенные, определяющие не формирование, а современное состояние таких древних структур под воздействием более слабых, новейших (в особенности современных) тектонических движений.
Комплексный подход направлен на достижение оптимального сочетания геологических, инженерно-геологических и геофизических методов исследования скального массива. Это сочетание определяется конкретной тектонической обстановкой, требованиями проектирования, а также возможностями и ограничениями отдельных методов исследования. При этом основным методом исследования считается инженерно-геологическая съемка наиболее крупных детальных масштабов. Следует, однако, отметить, что изучение скальных массивов требует достаточно равномерного объемного представления о пространственном соотношении разнородных структур. Объемность представлений о структуре в значительной мере достигается благодаря применению геофизических методов. Специфика данных исследований заключается в необходимости такого расширения инженерно-геофизических работ, которое практически нереально на значительных территориях, т.е. при более мелких даже из детальных масштабов исследований и съемок. Тем не менее, решение задачи объемного изучения структур и их соотношений требует привлечения и разработки новых геофизических методов. Однако геофизические методы не панацея, т.к. имеют свои ограничения. В частности они не эффективны на неисследованной территории, требуют достаточного исходного знания структур скального массива, необходимого для планирования геофизических исследований и интерпретации их результатов. Эти исходные данные получаются обычными геологическими методами, которые обязательны и для проверки результатов геофизических исследований. Таким образом, комплексный подход не сводится к простому сочетанию необходимого набора методов, а предусматривает их взаимодействие, без которого невозможна однозначность результатов инженерно-тектонического анализа.
Учет принятых проектных решений подразумевает изучение структур скального массива с максимальным привлечением информации о конструктивных особенностях конкретного проектируемого сооружения. Это достигается тесным контактом инженеров-геологов с проектировщиками на всех этапах проектно-изыскательских работ. Необходимо, следовательно, теснее увязывать стадийность проектно-планировочных работ и инженерногеологических изысканий. Сказанное, очевидно, относится и к более мелкомасштабным изысканиям.
Оптимальное сочетание качественных и количественных методов изучения структур скального массива, важное при его моделировании, можно считать достигнутым, если удается: а) при использовании качественных методов избежать излишнего усложнения модели; б) при математических расчетах — ее сверхупрощения. Поскольку моделирование должно отражать основные структурные факторы и генетически связанные с ними инженер-но-геологические свойства скального массива необходимо достичь весьма сжатой формы обобщения результатов инженерно-тектонического анализа. Ho эта форма должна содержать материал достаточный для качественного проектирования. Избранная схематизация должна быть обеспечена такой системой опробования, чтобы массив был равномерно и достаточно полно охарактеризован на основе информации, полученной в отдельных его точках. Это достигается применением инженерно-тектонического микрорайонирования, которое состоит в разделении скального массива в каждом масштабе на разное число объемных частей (участков), характеризующихся (в этом масштабе) квазиоднородным строением. Районирование и опирающееся на него моделирование много стадийны. Сначала инженером-геологом производится структурно-геологическое моделирование по структурным условиям и с учетом других геологических факторов, а затем инженерно-геологическое моделирование совершается инженером-геологом совместно с проектировщиком на базе предыдущего микрорайонирования и результатов геотехнического, фильтрационного и геофизического опробования. Следующей стадией является прогнозное моделирование с учетом влияния строительных работ, взаимодействия основания с сооружением и с учетом эффекта укрепления основания. Для конкретных методов расчета должны составляться расчетные модели. При этом А.А. Варга отмечает ряд ограничений возможностей количественных методов и математический расчетов. Первая из них — практическая невозможность адекватного отображения сложных геологических процессов и реального строения скальных массивов в виде простых и доступных для расчетов моделей и недостаточный учет в них ряда важных качественных характеристик структур массива. Второе — общая особенность индуктивного метода, заключающаяся в том, что большинство ошибок возникает не при обработке и обобщении структурных данных, а в результате их нехватки и т.п. Все это обусловливает обычную приближенность проектных расчетов и требует дальнейшей разработки оптимальных сочетаний качественных и количественных методов. Кроме того, математические методы нельзя сводить к одной статистике. По мнению А.А. Варги, в инженерно-тектоническом анализе большое значение имеет геометрия и в том числе метод симметрии.
Существуют и другие, боле формальные подходы, например, иерархическая система тектонического деления скального массива, предложенная Е.М. Пашкиным. Применительно к тектоническим условиям строительства подземных сооружений он предложил выделять 3 уровня иерархии такого массива: I уровень — элементарный блок, II уровень — структурно-тектонический блок и III уровень — агломерат структурно-тектонических блоков.
Ha I уровне основным объектом исследований служат элементарные блоки, образованные сетью трещин. Размеры таких блоков меньше поперечных сечений подземных выработок, например, туннелей. При этом учитываются трещины различных генетических типов (литогенетические, тектонические, контракционные, выветривания, техногенные). Обычные размеры элементарных блоков изменяются от нескольких сантиметров до первых метров. Характерной особенностью элементов данного уровня считается их плотная упаковка и отсутствие относительных смещений. Поэтому сохраняются связи, обусловливающие сцепление пород.
На II уровне геосистема рассматривается как единство взаимосвязанных элементарных блоков, группирующихся в структурно-тектонические блоки различных порядков (подсистемы). При этом элементарные блоки разных структурно-тектонических блоков взаимодействуют лишь опосредованно. Структурно-тектонические блоки 1-го порядка характеризуются общим направлением новейших движений с амплитудой до нескольких десятков метров. Блоки 2-го порядка выделяются в пределах блоков 1-го порядка и различаются по амплитудам до 10-15 м. Блоки 3-го порядка, как правило, имеют незначительную амплитуду относительного смещения, т.е. объединяются в квазинепрерывные тела блоков 2-го порядка. Наиболее крупными структурно-тектоническими блоками считаются надпорядковые, ограниченные крупными разрывными нарушениями типа зон смятия, региональных разрывов и глубинных разломов. Более мелкие блоки (1-3 порядков) разграничиваются меньшими разрывами, которые делятся соответственно на тектонические нарушения 1-3 порядков. Считается, что разрывные зоны 2 и 3 порядков обладают одним сместителем, а зоны I порядка — являются сложными с несколькими сместителями. Размеры блоков измеряются десятками и сотнями метров и сопоставимы с размерами подземных выработок. По форме блоки могут быть изометричными, призматическими, клиновидными и т.п.
На III уровне изучаются агломерации структурно-тектонических блоков, взаимодействие между которыми определяет степень стабильности геосистемы “массив горных пород”, в пределах которого будут размещены подземные сооружения.
Конечно, схема, предложенная Е.М. Пашкиным, представляет собой некую абстракцию, которая должна варьировать в зависимости, как от региональной тектонической реальности, так и от характера (размеров, формы, типа, назначения, устройства) инженерного сооружения.
В то же время подобные упрощенные модели не обеспечивают, как правило, получения материалов для достаточно точных проектных расчетов. Необходим детальный анализ каждого конкретного массива с параметрическим анализом для уточнения степени схематизации модели и значимости отдельных факторов (например, складчатости, напластования, инъективных структур, сланцеватости и пр.) и их параметров. А.А. Варга полагает, что необходимо рассматривать инженерно-геологическое микрорайонирование массива как обязательный элемент моделирования. Важно обоснованно, а не формально выделять квазиоднородные участки по тем факторам и параметрам, которые оказывают наибольшее влияние на то или иное свойство массива. Данное требование важно при использовании так называемого “активного” или “гибкого” проектирования, предполагающего проведение только части опробования до начала строительства с выполнением недостающих исследований в процессе строительства и оперативного уточнения проекта.
Следует, однако, отметить, что само по себе “гибкое” проектирование является прогрессивным, позволяющим существенно экономить средства и ускорять проектирование. Так, применение этого подхода на строительстве туннеля Кэт Арм (Канада), пройденного в древних гранито-гнейсах, позволило сократить количество анкеров с 1 500 по первоначальному проекту до 160, и только на этом была получена экономия в 120 тыс. долларов. В Панаме расположение подземной ГЭС Лa Фортуна на глубине 440 м не позволило провести разведочные работы во время составления проекта. Проектирование продолжалось в процессе строительства, а основные исследования велись из подводящего туннеля.
Как отмечает А.А. Варга, в настоящее время принято распространять геомеханические показатели на массив в соответствии с микрорайонированием по степени его сохранности. Предполагается, что границы различных зон сохранности являются одновременно и границами квазиоднородных участков по напряженному состоянию, прочностным, деформационным и фильтрационным свойствам. Однако каждое свойство контролируется несколькими геологическими факторами со своим распределением в массиве. Если, например, деформационные свойства существенно зависят от коэффициента трещинной пустотности, то на прочность сильно влияет ориентировка протяженных трещин, наличие глинистого заполнителя и т.п. Микрорайонирование по одному свойству, позволяющее оценить неоднородность в определенном масштабе, не всегда решает проблему масштабного фактора, необходимого для распространения результатов опробования на весь массив. Смена масштабного уровня (порядков структур) может обусловливать скачкообразное изменение свойств.
Кроме того, А.А. Варга в качестве самостоятельного методического принципа инженерно-тектонического анализа выделяет творческий подход на основе обобщения опыта изысканий и строительства, понимания механики скальных пород, тектоники и структурной геологии. Тем самым признается, что любые схемы исследований не могут быть абсолютизированы и полностью стандартизированы. В ряде случаев, очевидно, приходиться модернизировать не только схемы последовательности применения и сочетания разных методов исследований, но и совершенствовать сами методы. Как будет видно из дальнейшего изложения, не все изложенные выше принципы могут быть в полной мере реализованы из-за несовершенства современной методической базы. На практике эго усугубляется и не всегда еще достаточной технической оснащенностью изыскателей. А следствием является нестандартность материалов, полученных на различных объектах, затрудняющая сравнительный анализ и совершенствование методики.

title-icon Подобные новости