Подземные сооружения с персоналом, участвующим в подземных работах по их строительству, обустройству и эксплуатации

Такие сооружения чрезвычайно разнообразны. Они могут быть:
— линейными (разнообразные туннели, горизонтальные и наклонные штольни шахт, хранилищ и т.д.);
— локализованными (крупные шахты, подземные заводы, гидроузлы, убежища, многокамерные хранилища и пр.);
— площадные (обширные шахтные поля и т.п.).
Как уже было отмечено выше, в большинстве руководств, касающихся строительства туннелей, шахт, шахтных стволов, подземных электростанций, в том числе атомных, и других ответственных сооружений, вопросы строения скальных массивов, особенно их тектоники, практически не рассматриваются.
Применительно к туннелям традиционно наиболее опасным тектоническим элементом считается трещиноватость, с которой связывают различные типы вывалов. Считается, что основной формой проявления давления горных пород при проходке подземных выработок являются вывалы из их сводов и реже из стен. Условия образования вывалов, их форма и размеры во многом определяются размерами линейных параметров трещиноватости (длина, густота) и подземных выработок (пролет и высота туннелей), т.е. относительным характером структурной неоднородности горного массива и ее соотношением с ориентировкой и размерами сооружения. В связи с этим Е.М. Пашкин считает необходимым изучать единую природно-техногенную геосистему массив горных пород — выработка и характер адаптации к конкретной геологической среде.

При инженерно-геологической оценке факторов, влияющих на устойчивость подземных горных выработок, важно выявлять в массиве возможную сферу воздействия подземных выработок (зону разгрузки), учитывая его структурные особенности и трещиноватость. В зависимости от характера взаимоотношения поверхности выработки и плоскости трещин выделяется два основных типа зоны разгрузки: безупорный и упорный (рис. 6.14). Упорный тип чаще является устойчивым, безупорный — вывалообразующим. Среди безупорного типа зоны разгрузки выделяются два типа взаимоотношений вывалообразующих трещин. Они различаются величиной угла вывала:
1) сдвиговой тип с углом менее 90°;
2) отрывной тип с углом более 90° (рис. 6.15).
Для первого типа вывалов обрушение пород связано с преодолением сил трения и сцепления, а для второго — только с преодолением сил отрыва от плоскости трещин. Поэтому необходимо учитывать все системы трещиноватости и характер отдельности, свойственный литологически различным породам. Поскольку реальная сеть трещиноватости очень сложна и изменчива, в инженерной геологии предпринимаются попытки конструирования более простых моделей трещиноватости.
Вторым важнейшим тектоническим элементом, создающим ослабленные узлы в конструкции массива, считаются тектонические разрывы. В их разрывных зонах (а точнее — в подзонах сместителя) часто образуются вывалы, превышающие по размеру сечение горной выработки. Так, в Австрии при проходке туннеля сечением 12 м2 в шиферных сланцах и известняках на участке между двумя разрывами произошел вывал высотой 8 м. При строительстве деривационного туннеля ГЭС Зарьяр в Турции по разрывной зоне, сложенной разрушенным до глинистого состояния серпентинитом, в процессе проходки передовой штольни образовался вывал объемом 200 м3, а после разработки туннеля на полное сечение — более крупный вывал объемом 1 500 м3. Проходка гидротехнических туннелей в разрывных зонах с милонитом или глинкой трения до 20-30% сопровождается часто крупными (700-3 000 м3) вывалами непосредственно вслед за проходкой. Один из таких вывалов объемом около 1 500 м зафиксирован в строительном туннеле Нурекской ГЭС в Таджикистане (рис.6.16).

Время на ликвидацию последствий от крупных вывалов часто достигает 2-8 месяцев на каждый вывал. А сами вывалы развиваются в несколько фаз. Первая фаза вывала образуется в процессе взрывных работ, последующие — через несколько часов или суток. Часто воздействие разрывных нарушений сказывается через несколько месяцев на уже построенных инженерных сооружениях и проявляется в виде деформаций обделок. Примером могут служить трещины в стенках транспортно-кабельного туннеля Токтогульской ГЭС через год после проходки в зоне влияния активного новейшего Карасуйского надвига (рис. 6.17, где ?а — величина раскрытия трещины).
На величину вывалов и других деформаций могут влиять различные параметры строения, истории деформирования, проницаемости разрывных зон, характер тектонитов (гранулометрия, прочность и т.п.), степень их вторичной измененности, в том числе выветрелости, обводнения, современной и новейшей тектонической подвижности, активизация суффозии и т.д.
Естественно, что необходимо учитывать весь комплекс тектонических структур. Дело в том, что и складчатые структуры могут влиять на распределение горного давления (рис. 6.18, 6.19), а, следовательно, и на неравномерность деформаций подземных сооружений. Ориентировка кливажа и трещиноватость также сказываются на асимметрии вывалов (рис. 6.20, 6.21).

Упомянутая выше тенденция адаптации природно- техногенной системы “массив-выработка” реализуется в характере обеспечения устойчивости этой системы, а, следовательно, и сооружения. Это обеспечение определяется выбором, принципа крепления выработок. He вдаваясь в детали такой сложной проблемы, выходящей за рамки инженерной геотектоники, можно привести лишь несколько примеров из монографии Е.М. Пашкина. В первую очередь важна зависимость рациональной взаимной ориентировки анкеров и трещин (рис. 6.22). Это относится и к опережающей крепи преднапряженных анкеров (рис. 6.23), которая позволяет в сложных инженерно-геологических условиях закреплять неустойчивые породы до начала проходки и вести проходку большепролетных выработок полным сечением или высокими уступами на всю ширину. При необходимости предварительного тампонирования пород для их закрепления в обводненных разрывных зонах разрабатываются специальные модели последовательности горных выработок. Например, при подходе выработки к разрывной зоне из пилот-штольни была организована предварительная разведка опережающими скважинами. Пилот-штольни позволили оценить устойчивость горных пород и величину водопритоков. Разведочные скважины помогли выбрать сравнительно благоприятное направление трассы (рис. 6.24) и рациональный комбинированный способ тампонирования (в данном случае — силикатизацию и цементацию). Для подземных выработок в разрывных зонах с мелкими (дресвяноглинистыми или милонитовыми) тектонитами, часто вслед за проходкой, устанавливается всплошную тяжелая металлическая арочная крепь или возводится мощная бетонная обделка. При строительстве подземных сооружений больших сечений часты крупные (в тысячи кубических метров) вывалы. Для их проходки предлагается метод предварительного создания защитного свода (рис. 6.25) в пределах разрывной зоны (особенно в пределах подзоны сместителя) при помощи взрывания сближенных камуфлетных зарядов по контуру выработки. Последнее может уплотнить, например, глинистые грунты до плотности и прочности, необходимой для обеспечения устойчивости при проходке туннеля. Под прикрытием созданного защитного свода производится разработка породы в забое выработки и параллельное возведение постоянной отделки.
Весьма своеобразным примером могут служить подземные сооружения Рогунского гидроузла.

Подземный машинный зал Рогунской ГЭС, расположен в верхнем бьефе на глубине до 420 м от земной поверхности, в едином тектоническом блоке нижнемеловых отложений. Последний ограничен активными разрывами № 1 (Ионахшский) и № 35. Тем не менее, криповые движения по разрывам обусловливают высокие сжимающие напряжения (вертикальные до 12 МПа, горизонтальные — 17 МПа) и периодическое их снятие. Двухзальная компоновка здания ГЭС предусматривала также крепление их кровли железобетонными сводами, а стен — предварительнонапряженными анкерами. Кроме того, проектировалось применение податливой конструкции свода с помощью устройства продольных деформационных швов с арматурным каркасом и резиновыми муфтами. Это свидетельствует о возможности компенсации весьма значительных деформаций, обусловленных разрывным крипом.
Другим примером весьма сложных сейсмотектонических условий при строительстве ответственного подземного сооружения может служить Северомуйский железнодорожный туннель на трассе БАМ. Его строительство продолжалось более 25 лет и сопровождалось многочислеными аварийными ситуациями.

Туннель заложен в скальном массиве горной перемычки между Верхнеангарской и Муяканской впадинами на северо-восточном фланге Байкальской рифтовой зоны. Для изучения высокой сейсмотектонической активности данного района был создан Северо-Муйский геодинамический полигон (рис. 6.26). Хребет в районе строительства сложен преимущественно протерозойским гранитами. Последние нарушены как региональными (рис. 6.27), так и множеством локальных разрывов (рис. 6.28). Туннель расположен в висячем крыле регионального Перевального разлома, сместитель которого наклонен на северо-восток под углом 70-80°.

В процессе строительства туннеля длиной 15,5 км пересечено около 500 различных разрывных нарушений и трещин (рис. 6.29). Подзоны сместителя некоторых крупных разрывов достигают мощности в 30-60 м и более. Преобладают трещины скола и отрыва иногда открытые, зияющие. Тектониты представлены преимущественно песчаной и супесчаной фракциями. Они нередко обладают той или иной пластичностью. Их водопроницаемость зависит в основном от содержания глинистой фракции. В тех случаях, когда разрывные зоны выполнены бесструктурным рыхлообломочным материалом или дезинтегрированными гранитами, а фланги — сильно трещиноватыми гранитами отмечается явление так называемой “двойной пористости”. При вскрытии их забоем туннеля сильно трещиноватые граниты быстро дренируются, а сама подзона сместителя отдает воду очень медленно, обеспечивая над сводом туннеля гидростатическое давление до нескольких сот метров водяного столба. В районе шахтного ствола № 2, который заложен у пересечения субширотного регионального Перевального и локального Трогового (северо-восточной ориентировки) разрывов, на поверхности находится озеро Перевальное (750x400 м, глубиной до 5,5 м). Последнее естественно стало дренироваться горными выработками и уже снизило свой уровень на 1 м, а вытекающая из него речка пересохла. Проходка основного туннеля и сопровождающих его выработок (в том числе разведочно-дренажной штольни, параллельной основному туннелю) осложнялась не столько прорывом трещинно-жильных вод, сколько выбросами из разрывных зон водонасыщенной грунтовой массы. Эти явления вызывались как естественными, так и техногенными причинами. К первым относятся сезонные (обычно летне-осенние) повышения уровня подземных вод и сейсмические толчки, ко вторым — различные технические воздействия. В отдельных случаях выбросы достигал 2 500 м3 обломочной породы, в том числе и глыб, за 5-7 минут, а водопритоки — до 30 000 м3/ч. В результате прорывов над выработками образовывались купола разуплотненных пород и воронки проседания на поверхности (диаметром до 5-7 м), а также деформации тюбингов и чугунной обделки, обрушение сводов. Велось опережающее бурение из призабойной части штолен. При подходе к зонам дробления и сильной трещиноватости проводилась из цементация. Ta же операция осуществлялась для зон, их которых происходили аварийные прорывы вод и выбросы рыхлообломочного материала. Объемы тампонажного материала достигали 10 000 м3 и более. Ho в отдельных случаях раствор выдавливался на поверхность и цементация не достигала цели. Предполагается, что при четкообразном строении подзон сместителя крупных разрывов и выносе из них рыхлого заполнителя, на расстоянии в десятки и сотни метров от горных выработок образовавшиеся полости заполняются водой и потенциально плывунным материалом. Цементация их представляется проблематичной как по объему, так и в силу различной проницаемости тектонитов на участках пережимов данных подзон. Факт прорывов водно-грунтовой массы на уже закрепленных пройденных участках свидетельствует о потенциальной возможности повторного обрушения сводов при эксплуатации рассматриваемого сооружения. Это особенно вероятно при значительных прогнозируемых землетрясениях.

Сейсмичность района высокая (рис. 6.30). Горная перемычка Верхнеангарской и Муйской впадин характеризуется высокой повторяемостью сильных землетрясений (для 8 баллов повторяемость в среднем составляет 5 лет; 9 баллов — 20 лет, 10 баллов — 50 лет, 11 баллов — 150 лет и 12 баллов — 500 лет). Сейсмичность района западного портала туннеля (Ангаракан-Ковоктинского и Верхнеангарского разломов) оценивается в 9 баллов, а восточного (Муяканский разлом) — до 11 баллов. Сильные землетрясения (10-12 баллов) кроме аварийных прорывов водно-грунтовой массы из разрывных зон могут привести к сейсмогенному смещению блоков пород, в которых заложен туннель. Провоцировать выбросы могут и серии ощутимых землетрясений силой 4-6 баллов с близко расположенными очагами.

Высокая тектоническая подвижность рассматриваемой территории подтверждена геодезическими измерениями. По данным анализа измерений на Северо-Муйской линии повторного нивелирования (рис. 6.31), в зоне Северомуйского туннеля основную подвижность имеют зоны Ангаракан-Ковоктинского (Ангароканского) и Перевального разломов. Ангараканский сейсмогенерирующий разлом (падение сместителя на юго-восток под углом 60-80°) докайнозойского заложения пересекает тоннель в районе его западного портала, где выявлены сейсмодислокации и функционирует термальный источник. Геологическими методами зафиксирован левосторонний сдвиг с небольшой сбросовой компонентой, возникшей при опускании северо-западного блока. По Перевальному разрыву с падением сместителя на северо-восток под углом 50-70° поднят на 100 м восточный блок. В целом за 1974-1981 гг. наблюдался перекос туннеля: его восточный портал поднимался со средней скоростью около 5 мм/год, а западный опускался со скоростью около 2 мм/год (рис. 6.32). В пределах Ангаракан-Ковоктинского разлома вертикальные подвижки реперов достигали скорости 20 мм/год. Горизонтальные деформации растяжения — 17 мм/год, причем во времени они сменялись деформациями сжатия со смещениями реперов до 36 мм/год. В зоне Муяканского разлома также выявлена периодическая смена деформации сжатия на деформацию растяжения. Горизонтальные смещения здесь достигают 10-17 мм/год, а вертикальные — до 12-15 мм/год. Такие деформации могут оказаться опасными для сооружений.