Типизация взаимодействия скальных массивов с инженерными сооружениями

От характера инженерного сооружения существенно зависит специфика его взаимодействия со скальным массивом, а от этой специфики — многие конструктивные особенности самих сооружений. В отношении данной специфики следует разделить сооружения на: частично заглубленные в скальный массив и подземные, т.е. целиком погруженные в такой массив.
Частично заглубленные сооружения принципиально различаются по характеру осваиваемого рельефа и делятся на: а) расположенные на выровненном рельефе; б) вписанные в глубоко расчлененный рельеф. К первой группе относится подавляющие число разнообразных линейных (каналы, траншейные сооружения и т.п.) и локализованных сооружений и их комплексов. Их взаимодействие со скальным массивом, как правило, минимальное, и не нуждается в специальной характеристике. Тектоника скального массива изучается, главным образом, на предмет присутствия в основании сооружения разрывных нарушений с современными смещениями или неравномерными осадками.
Гораздо сложнее взаимоотношения со скальным массивом у сооружений, вписанных в глубоко расчлененный рельеф. К таким сооружениям относится значительная часть высоких плотин и гидроузлов. Здесь сооружение “проникает” в скальный массив не только сверху, но и сбоку. Поэтому степень взаимодействия (“вживление”) сооружения с массивом гораздо сложнее. Эта сложность усугубляется высокими нагрузками, оказываемыми, как на скальный массив, так и на плотину водной массой водохранилищ.
Подземные сооружения целиком погружены в скальный массив, т.е. взаимодействуют с ним со всех сторон. Подземные сооружения чрезвычайно разнообразны по форме, назначению и др. параметрам. Они могут быть линейными, более или менее локализованными, площадными и практически точечными, например, если связаны с единичной скважиной. Ho наиболее существенным признаком, делящим подобные сооружения на 2 группы с различным взаимоотношением со скальным массивом, это — присутствует ли на подземном объекте персонал или его появления полностью исключено (скважины для добычи жидких полезных ископаемых, захоронения вредных веществ в литологических коллекторах или подземных емкостях, образованных взрывом и т.д.).
На всех перечисленных типах целесообразно остановиться. Ho сразу же следует оговориться, что доступный в настоящее время материал позволяет охарактеризовать эти типы очень неравномерно.
В одной работе совершенно невозможно охватить все современные направления горной науки, где тектоника должна так или иначе, учитываться, но соответствующие методики и направления разработаны слабо. Следует упомянуть в данном аспекте геотехнологические способы разработки полезных ископаемых с помощью тепловых, гидродинамических и химических процессов (подземное растворение водой разной температуры соли, серы и др., кислотами и щелочами ряда металлов — меди, урана, молибдена, сурьмы и других цветных и редких металлов). Биологические технологии (например, тионовые бактерии) позволяют добывать под землей медь, цинк, молибден, алюминий, золото, серебро и другие цветные и благородные металлы. Технологии скважинной гидродобычи с помощью подземной газификации и гидрогенизации перспективные для добычи угля, перегонки горючих сланцев и т.п. Особую значимость приобретает добыча полезных ископаемых на шельфе, где технология строительства шахт и других горных выработок осложняется возможностью больших водопритоков морских вод. Все больше используется подземное тепло термальных источников. Во всех этих случаях для поддержания высоких концентраций различных веществ, температур, давления, гидроизоляции и т.п. необходимо детальное знание конкретных тектонических условий осваиваемых массивов горных пород, поскольку разрывные и трещинные зоны могут служить путями активной фильтрации жидкостей и миграции газообразных продуктов. При этом решаются тектонические проблемы, сходные с теми, которые возникают при подземном захоронении вредных веществ или хранении жидких и газообразных нефтепродуктов.
Следует также отметить, что в большинстве руководств и справочников, касающихся строительства заглубленных и подземных сооружений практически не анализируется строение скального массива, служащего основанием или “вместилищем” сооружения. Соответственно не рассматриваются мероприятия по предотвращению опасности тектонических движений, ограничиваясь иногда учетом неравномерных осадок. И это касается весьма ответственных сооружений, в том числе и АЭС. В других, при классификации сложных горногеологических условий упоминаются “зоны геологических нарушений” в виде разломов, сдвижений, что осложняет условия разработки породы и поддержание выработок. Также без связи с какими-либо тектоническими структурами предлагается учитывать “действия тектонических сил” или “тектонических напряжений”. При этом даются рекомендации типа: “в условиях действия высоких горизонтальных тектонических напряжений для горизонтальных выработок наиболее выгодным, с точки зрения устойчивости, является их расположение с ориентацией вдоль направления вектора тектонических сил”. Естественно, что при подобном подходе влияние тектонических структур начинает учитываться преимущественно в процессе эксплуатации сооружения при обнаружении дефектов и деформаций.
Показательно, например, что в пособиях по проектированию и строительству туннелей и метрополитенов упоминание о тектонических структурах встречается только при характеристике распределения горного давления, например: “перегибы и сдвиги пластов при горообразовательных процессах связаны с возникновением зон разрушения (разломов), в которых следует ожидать значительного увеличения горного давления и повышенного притока подземных вод. Это относится, например, к сбросам, где в месте взаимного смещения по вертикали двух участков земной коры образуется зона разрушенного грунта, создающего сильное давление”. И далее: “расположение тоннеля в крест простирания антиклинальной складки является благоприятным в отношении горного давления, так как в этом случае нарушение пласта выработкой относительно невелико. Расположение тоннеля вдоль простирания отрогов антиклинальной складки, характерное для косогорных участков, неблагоприятно. В этом случае пласт грунта подрезается тоннелем на значительном протяжении, вследствие чего обделка испытывает повышенное несимметричное давление”. Ни другие типы разрывных и складчатых структур, ни тектонические движения при этом вообще не рассматриваются. Отмечается, правда, что “интенсивность и характер распределения горного давления но контуру выработки в значительной степени зависят от степени трещиноватости грунта и расположения трещин в пространстве относительно оси тоннеля”. Ho о закономерностях распределения трещиноватости не упоминается. Дело ограничивается, обычно, измерением конкретных напряжений по контуру обделки и в сооружении.
Как было отмечено выше, изучение напряженно-деформированного состояния массивов горных пород относится к инженерной геодинамике и здесь не рассматривается. Однако во многих случаях распределение напряжений тесно связано с молодыми тектоническими структурами. Поэтому целесообразно привести некоторые примеры практических выводов по рациональному размещению в массиве инженерных сооружений. Так, при проектировании подземного машинного зала Рогунской ГЭС в Таджикистане было установлено, что устойчивость туннелей и наклонных выработок улучшается в несколько раз при их проходке в направлении вектора наибольшего сжатия. Устойчивость кровли камер в тектонически напряженных массивах улучшается при увеличении до определенных пределов пролетов кровли, оптимальные размеры которых рассчитываются с учетом величин горизонтальных напряжений. Для вертикальных выработок наиболее рациональной является эллипсовидная форма поперечного сечения. В тектонически активных районах при расположении выработок ниже местных базисов эрозии может наблюдаться резкий (до 10 раз) рост интенсивности проявления горного давления.
Рекомендуется также расположение параллельных выработок в плоскости действия напряжения наибольшего тектонического сжатия, применение шатровой формы поперечного сечения горизонтальных выработок, проведение буровзрывных работ по специальным схемам с учетом тектонических напряжений (контурное взрывание, камуфлетирование пород в законтурном пространстве, образование разгрузочных щелей).
А.А. Варга отмечает, что при размещении подземного сооружения обычно приходится учитывать несколько геологических факторов. Так, при размещении подземной ГЭС Tери в мощной толще филлитов, падающих под углами 45 градусов к нижнему бьефу и рассеченных несколькими системами тектонических нарушений, оказалось важным выбрать не только пачку наиболее прочных пород и ориентировать ось камеры перпендикулярно простиранию слоистости и сланцеватости, но и расположить ее оптимально относительно сетки нарушений. В случае размещения камеры подземной ГАЭС даже в субгоризонталыю залегающих вулканогенно-осадочных породах, нарушенных субвертикальными разрывами, стремятся обычно попасть в середину блока, чтобы избежать ослабленных зон тектонических нарушений.
Когда избежать разрывных нарушений не удается, приходится применять конструктивные решения, соответствующие конкретной структурной обстановке. Например, в туннеле Ичари (Индия) длиной 5,6 км, пересекающем несколько активных разрывов со скоростью современных смещений до 5 мм/год, установлено специальное гибкое крепление.