Исследования микродеформаций на Серпуховском комплексе прецизионных сооружений

Исследования и инженерные изыскания на уникальных объектах с высокими требованиями к микродеформациям пород основания настолько специфичны, что целесообразно рассмотреть один из наиболее показательных примеров.
В 5-13 км к юго-западу от г. Серпухова на левобережье приустьевой части долины р. Протвы с 50-х годов ведутся работы для уникальных сооружений, в состав которых входят Серпуховской ускоритель на 70 ГэВ (У-70) и Ускорительнонакопительный комплекс на 3 000 ГэВ (УНК), относящиеся к Институту физики высоких энергий РАН (рис. 7.5 а). У-70 представляет собой железобетонный туннель (“кольцевой зал” высотой 13 м и шириной 11 м, длиной около 1,5 км и диаметром 472 м) на глубине около 10 м с ответвлениями (рис. 7.5б) и служит инжектором для УНК (основной туннель сечением 5 м, протяженностью около 21 км и диаметром около 6 км) расположенного на глубине 20-60 м и также имеющего ряд ответвлений. Действующий У-70 был построен в 1960-1967 гг., а для УНК к 1981 г. был близок к завершению основной туннель, в части которого уже производилась установка оборудования. Указанные главные сооружения сопровождаются разнообразными зданиями и службами (криогенная система, рефрижераторные и компрессорные комплексы, хранилища, разветвленные коммуникации и т.п.). Ho только упомянутые основные подземные сооружения предъявляют высокие требования к микродеформациям пород основания, обусловленные тем, что размещение и эксплуатация расположенного в них оборудования должна осуществляться со средней квадратической ошибкой для У-70 — 0,2 мм по высоте и радиусу и 3 мм по азимуту. С учетом возможностей современной юстировочной системы точность установки магнитных блоков УНК не должна превышать 0,05 мм на длине 45 м; скорость их перемещения — 0,5 мм в месяц, а общее перемещение магнита в течении длительного времени должно быть меньше 5 мм.


Исследования по выбору района строительства У-70 проводилось в середине 50-х годов в 14 регионах СНГ. Большинство площадок, обследовавшихся на Урале, в Сибири и Средней Азии было отбраковано из-за высокой сейсмичности, которая недопустима для объекта, требующего точнейшей постоянной фиксации оси вакуумной камеры с сечением 17x11,5 см. После этого основное внимание было сосредоточено на тектонически наиболее стабильных районах Русской плиты древней Восточно-Европейской платформы с приповерхностными известняками. Результатом комплексных исследований на ряде конкурирующих площадок и с учетом экономического фактора был выбран район г. Серпухова, а по тектоническим соображениям (меньшая дифференцированность опущенного крыла Протвинского разрыва) предпочтение было отдано левобережью приустьевой части долины р. Протвы. Здесь комплексные изыскания, в том числе и тектонические, велись для У-70 в 1958-1960 гг. Присутствие этого объекта предопределило размещение УНК, изыскания, на площадке которого площадью 100 км2 ведутся с 1977 г. Они продолжались 4 года на стадии ТЭО, 3 года на стадии технического проекта и 2 года на стадии рабочей документации. Исследования микродеформаций продолжались в процессе строительства обоих уникальных сооружений и будут продолжаться при их эксплуатации с тенденцией к мониторингу окружающей среды.
В районе строительства кристаллический фундамент залегает на глубинах порядка 1,3 км, а верхняя часть платформенного чехла, представлена карбонатно-терригенными каменноугольными отложениями, залегающими со слабым наклоном (2-3 м на километр) к северу, т.е. к оси Московской синеклизы. На наиболее высоких водоразделах залегают маломощные морские мезозойские (юрские и меловые) отложения. Все эти толщи перекрыты маломощным (обычно 5-10 м) чехлом четвертичных отложений, тесно связанных с современным рельефом, размах которого достигает 50 м. Речные долины с рядом разновозрастных переуглублений выполнены средне- верхнеплейстоценовым и голоценовым преимущественно до 45 м.

Основанием сооружений служат слабометаморфизованные каменноугольные образования,делящиеся на ряд горизонтов: 1) тарусско-михайловские известняки; 2) стешевские глины; 3) протвинские известняки нижнего карбона; 4) пестроцветные верейские глины и 5) каширские известняки и доломиты среднего карбона. На водоразделах эти отложения с несогласием перекрываются бат-келловейскими песчано-глинистыми породами средней и верхней юры, среднеплейстоценовой мореной и флювиогляциальными отложениями. Отмечаются доюрские и доверейские палеодолины. Последние достигают глубины 100 м и ширины в несколько километров. Эти долины, выполненные верейскими глинами, определяют литологическую неоднородность основания, а в их бортах предполагалась активизация геодинамических процессов, связанная с повышенной трещиноватостью пород. В известняках развит карст, влияющий на водообильность стока в разных частях долин левых притоков р. Протвы, в том числе р. Боровны. Современные реки и долины, особенно их спрямленные участки, заложились вдоль различных разрывных нарушений, которые трассируются в качестве линеаментов на аэро- и космоснимках. В соответствии с традиционными методиками структурно-геоморфологического районирования платформенных территорий, для рассматриваемого района выделен ряд новейших структур (рис. 7.6) разных порядков (табл. 7.11). Блоки разделены разрывными нарушениями, преимущественно зонами повышенной трещиноватости. Магнитометрические и гравиметрические исследования позволяют предполагать малоамплитудные (иногда до 50-70 м) смещения кровли платформенного фундамента под некоторыми из этих нарушений чехла. Сами нарушения у кровли чехла между блоками высоких порядков трактуются как еще менее амплитудные зоны (суммарные смещения до 10 м) нарушения пластов доломитов по системам трещинных сместителей на первые метры. Следует, однако, отметить, что оценка столь малых амплитуд по материалам бурения с неполным отбором керна не может считаться надежной. Строение зон выяснено недостаточно и поэтому они часто именуются не разрывными, а “геодинамическими”, сопровождающимися увеличением амплитуд микродеформаций. Тем не менее, в некоторых сечениях описываются различия в строении крыльев зон или появление внутри зон песков, вероятно связанных с заполнением карстовых полостей.

Малые размеры У-70 позволили разместить его в относительно монолитном Дракинском блоке. Ho здесь на площади 4 км2 было зафиксировано 55 карстовых воронок и трещиноватых участков. По данным геолого-геофизических исследований подземного карста, развитого преимущественно на юге площадки, центр кольца был смещен на 28,7 м к северо-западу В результате закарстованные участки составляют 140 м или 9,4% от протяженности кольца У-70.
Для размещения УНК большое значение имели литология и водоносность каменноугольных отложений. В них зафиксировано 4 водоносных горизонта трещинно-пластового типа, связанных с известняками каширского, протвинского, тарусско-михайловского и более глубокого алексинского горизонтов. Поэтому рассматривалась возможность расположения кольца на разных уровнях (рис. 7.7), в том числе приповерхностнонаклонный и глубокий субгоризонтальный варианты. Выбран субгоризонтальный вариант, связанный с тарусско-михайловскими известняками и вышележащими каширскими глинами и расположенный южнее, ближе к У-70.

Большие размеры УНК не позволили избежать пересечения туннелем внутриблоковых и даже межблоковых нарушений. В этой связи важно остановиться на рациональности выбора места для столь крупного уникального сооружения. Дело в том, что согласно современным материалам по неотектоническому районированию (табл. 7.12, рис. 7.8) рассматриваемая площадка строительства попадает в зону одного из крупнейших на Русской плите (структура 2-го порядка) Нелидово-Рязанского тектонического шва, разграничивающего структуры третьего порядка: Юго-западную (Воронежскую) высокую геоступень на юге и западный выступ Юго-восточной (Вятско-Камской) средневысотной геоступени на севере. Естественно, что такой шов имеет сложное строение и характеризуется повышенной мелкоблоковостью и дифференцированностью этих блоков. Это характерно и для рассматриваемого региона (рис. 7.9). Здесь, трассируемый по долине р. Протвы региональный Протвинский разрыв, фиксирующийся уступом с амплитудой 20-30 м в кровле кристаллического фундамента плиты, смещен к югу относительно Среднеокского разрыва, также совпадающего с уступом в фундаменте. Эти сегменты Нелидово-Рязанского шва кулисны, как кулисны выраженные уступами в рельефе, на южных флангах их зон приповерхностные Южно-Протвинский и Пущинский новейшие разрывы. Прямым продолжением Среднеокского разрыва к западу служит Сухменковский линеа-мент, разделяющий Дракинский и Усть-Нарский элементарные блоки, а западнее — Станковский и Воронцовский элементарные блоки. Протвинский разрыв также наращивается к востоку Восьминским линеаментом. Это подтверждает мнение А.П. Барса и B.C. Соколова о принадлежности всего Дракинского элементарного блока к разрывной зоне. Сама зона кулисного сопряжения обусловлена поперечным Тарусским разрывом. Следовательно, Дракинский элементарный блок не только находится в зоне Нелидово-Рязанского тектонического шва, но и непосредственно примыкает с запада к крупному Серпуховскому Дизъюнктивному узлу, повышенная тектоническая дифференцированность в котором подчеркивается грабеноподобным раструбом западного окончания зоны Среднеокского разрыва.

Таким образом, повышенные тектоническую дифференцированность и относительную новейшую активность рассматриваемого района в принципе нельзя считать благоприятными тектоническими условиями для размещения столь крупного уникального сооружения как УНК. Повышенные раздробленность и проницаемость в зоне одного из крупнейших на Русской плите разрывных нарушений, очевидно, обусловили высокую закарстованность участков, прилегающих к долине р. Протвы и необходимость смещения кольца У-70. Они способствуют активизации макро- и микродеформаций.

Для соблюдения необходимых точностей установки конструкций и технологического оборудования и измерения микродеформаций основания постепенно формировались наземные и туннельные геодезические сети, и система комплексных геодинамических полигонов, обычно включающих наклономерно-деформографические станции. Методике создания геодезических сетей для У-70 посвящена специальная монография. На первом этапе в процессе инженерных изысканий высотная геодезическая основа была закреплена на поверхности 8-ю глубинными биметаллическими реперами: 5 из них расположены равномерно у кольца, а 3 образуют куст с якорями на проектной отметке сооружения близ центра тех-площадки. Нивелирная сеть состоит из 5 замкнутых полигонов и уравновешивалась как свободная. На втором этапе высотная опорная сеть была закреплена 11-ю глубинными реперами с гибкой штангой: 8 по кольцу, а куст из 3-х реперов в 500 м от центра техплощадки. В поперечном сечении кольца размещена система марок на 3-х уровнях: 1) минус 3,17 м для наблюдений за фундаментами, несущими колоннами и пунктами опорной геодезической сети; 2) минус 0,57 м для монтажа технологического оборудования; 3) плюс 1,16 м для проверки отклонений блоков. На магнитах и других элементах оборудования закреплялись шариковые реперы, орбитные знаки, надорбитные реперы (по 27 точек на каждом блоке). Для плановых измерений по периметру У-70 установлено 4 обратных отвеса. Схема их расположения представляет собой геодезический четырехугольник, в котором измерялись все 6 базисов: 4 по контору и 2 по диагонали. На прямолинейных элементах ускорителя (инжектор длиной 80 м, галерея научно-экспериментальной базы длиной 350 м) опорная геодезическая сеть создавалась в виде параллельных створов с 2-я уровнями на инжекторе и одном в галерее. При завершении монтажа в октябре 1966 г поперечные отклонения блоков (электромагнит У-70 состоит из 120 блоков весом по 200 тонн; блок состоит из 5-и пакетов) не превышали ±0,2 мм, продольные ±1 мм, а повороты блоков относительно азимутальных осей ±30". Среднеквадратическая точность установки по радиусу и по вертикали составляла 0,1 мм. Соответствующие амплитудные искажения равновесной орбиты с достоверностью 98% не превышали у У-70 7,5 мм.
С учетом опыта У-70, для УНК рассматривалось несколько вариантов геодезических сетей и выбрана 2-ступенчатая система, включающая: 1) наземную (опорную) сеть в виде правильного шестиугольника и 2) подземную (туннельную) сеть, имеющую в регулярной части кольца 360 опорных пунктов, от которых производится установка квадрупольных линз. Разработанная методика моделирования сетей допускала, чтобы опорная наземная сеть могла иметь относительно невысокую точность, но разбивочная туннельная сеть требует высокоточных измерений.
Поскольку кольцевые сооружения УНК и его ответвления касаются или пересекают межблоковые (в основном, вероятно, трещинные) структуры высоких порядков, создан ряд локальных геодинамических полигонов, часть из которых оборудована наклономерно-деформографическими станциями. Наиболее представительными являются 3 локальных полигона: Протвино, Павловка, Боровна. Крупным полигоном является кольцо УНК (полигон Кольцо).
Полигон Протвино находится на площадке У-70 в южной относительно монолитной части Дракинского элементарного блока IX порядка. Здесь расположена наклономерно-деформографическая станция “Протвино-1” и траншейная станция 2 класса “Протвино-2”. На станции “Протвино-1” измеряются горизонтальные составляющие микродеформаций в направлениях север-юг и восток-запад кварцевыми деформографами (с базами около 17 м), а вертикальные — гидростатическими и маятниковыми наклономерами на глубине 15 м. Траншейная станция “Протвино-2” с кварцевым деформографом (база 4 м) на глубине 4 м создается для выяснения соотношения микродеформаций на разных глубинах.
Полигон Павловка в западной части Дракинского блока пересекает геодезическим створом длиной 400 м субширотное внутриблоковое нарушение X порядка. Здесь вертикальные микросмещения измеряются с помощью высокоточного нивелирования и на расположенной в 100-150 м от края трещинной зоны траншейной станции 2-го класса глубиной 4 м в глинах верейского горизонта — с помощью гидростатического нивелира по створу меридионального направления. На этой станции горизонтальные микросмещения в том же направлении фиксируются кварцевым деформографом с базой 10 м.
Полигон Боровна создан на субмеридиональном Боровнинском нарушении в месте пересечения его каналом вывода пучков заряженных частиц. Это нарушение VIII порядка разделяет Приокский и Водораздельный сложные блоки и по характеру строения и орографического проявления считается диаклазовым швом. Здесь в широтном направлении по створу длиной 800 м высокоточным нивелированием фиксируются вертикальные микродеформации, горизонтальные — с помощью высокоточных линейных и угловых измерений, а также на одноименной траншейной станции 2-го класса кварцевым деформографом (база 3 м) на глубине 4 м в меридиональном направлении.
Полигон Кольцо состоит из 21 глубинного репера опорной сети, равномерно расположенных по периметру УНК. Здесь с помощью высокоточного нивелирования измеряются вертикальные микросмещения. Северная часть кольца УНК затрагивает зону Сухменковского нарушения IX порядка, а западная — пересекает Павловское и др. нарушения X порядка. Их целесообразно рассматривать в качестве зон повышенной трещиноватости.

В настоящее время накоплен большой, лишь частично опубликованный в узкоспециализированных изданиях материал по микродеформациям. Целесообразно поэтому привести основные результирующие сведения.

Полигон связан с наиболее монолитной частью Дракинского блока и служит опорным пунктом для определения фоновых значений микродеформаций в районе. Здесь же получен наиболее полный материал по техногенным воздействиям в период строительства У-70. Однако, этот полигон, особенно его южная часть, подвержен наибольшим микродеформациям (до 1 мм) за счет периодических паводков на р. Протве (нагрузка паводковых вод на пойму и подпор паводковыми водами грунтовых вод).

Из геодезических исследований наиболее интересны, проводившиеся в течение двух лет после завершения установки оборудования У-70 в октябре 1966 г., т.е. за год до пуска Серпуховского ускорителя. Выполнено 10 циклов измерений высотного и 2 цикла планового (радиального) положения магнитных блоков. Был установлен ряд видов микродеформаций особенно в южной части кольца, т.е. в районе экспериментального зала (блоки 28-40) и примыкающей к нему с запада (блоки 41-55) части кольцевого зала (рис. 7.10). Здесь же в районе вывода пучка происходили и максимальные изменения нагрузки на основание после того, как монтаж электромагнита был завершен. Вертикальные деформации интервала блоков 25-45 имели разную природу: 1) поднятие участка электромагнита (блоки 31-44) на 1 мм в мае 1967 г. имело естественную природу; 2) летом и осенью 1967 г. экспериментальный зал был загружен бетонной защитой, а с западной его стороны велась выемка грунта под строительство галереи; это привело к осадкам фундаментов и опусканию блоков к октябрю 1967 г. на величину до 2 мм; но работы в котловане обусловили тогда же подъем на 1,5 мм и нарушение взаимного радиального положения блоков; наконец в октябре 1967 г. зафиксировано общее опускание значительной части электромагнита из-за нарушения земляной насыпи над кольцевым залом ускорителя; 3) в течении 1968 г. нагрузка на основание увеличивается из-за монтажа бетонной защиты, установки экспериментального оборудования каналов и засыпки котлована под галерею; все это не только ликвидировало прежний подъем в районе экспериментального зала, но и привело к осадке этого участка в ноябре 1968 г. до 4,7 мм. Таким образом, в 1967-1968 гг. смещения некоторых блоков из проектного положения на порядок величин превышали ошибки их начальной установки (±0,2 мм в поперечном направлении, ±1 мм в продольном, поворот ±30"). Тем не менее, эти деформации по данным вычислений на ЭВМ, не вызвали опасных возмущений орбиты ускорителя. Последняя была исправлена электротехническими средствами. В принципе подобные ситуации с возникновением различных микродеформаций вероятны на анологичных стадиях строительства и комплектации УНК.
Наклономерно-деформографические исследования позволили сепарировать микродеформации, связанные с природными (лунно-солнечные приливы, колебания атмосферного давления, уровня грунтовых вод, изменения температуры и влажности горных пород, паводки р. Протвы) и техногенными (сотрясения от взрывов в ближайших карьерах) процессами. Было установлено, что неравномерные деформации горных пород в основании фундаментов У-70 на глубине 8-10 м достигают ±0,25 мм при среднем значении ±0,15 мм. В период весенних паводков отдельные части площадки смещались до 1,5 мм, а подъемы отдельных точек на глубине достигали 2-5 мм. Выявились периодические годовые ходы наклонов, вызванные тепловыми напряжениями на глубине от 1,5 до 10-12 м (максимальные наклоны в 1960 г. составили у земной поверхности 10" с востока на запад, на глубине 10-12 мм — 6" с юго-востока на северо-запад). Сходство формы годовых и многолетних наклонов на большом расстоянии в трех шахтах по периметру кольца УНК показывает, что они не должны влиять на работу ускорителя.
Вариации наклонов с периодами от одного до трех месяцев с коэффициентом корреляции 0,7 согласуются с вариациями атмосферного давления. Ходы наклонов у поверхности с периодами в несколько суток и амплитудами в десятые Доли секунды дуги также сочетаются с вариациями атмосферного давления. Ho на уровне фундаментов многосуточные вариации микродеформаций ослабевают в несколько раз. Суточные ходы наклонов у поверхности имели амплитуду до 0,2", а на глубине 10-12 м — 0,1". Взрывы в карьерах, расположенных в 2-3 км от У-70, возбуждали наклоны у земной поверхности в десятые и сотые доли секунды дуги и сохранялись в течение нескольких секунд. На глубине 10-12 м они в большинстве случаев не отмечались приборами. Большинство этих результатов подтверждено и при дальнейших измерениях. Показано, что в период паводка происходит сжатие пород до 10в-6 за несколько дней. Это сжатие обусловлено как увеличением нагрузки за счет паводковых вод, так и снижением температуры пород на 0,2-0,4° за счет подъема уровня грунтовых вод (на 1-5 м). Приливные деформации достигают амплитуд для полусуточной M2 и суточной O1 волн 0.7x10в-8 в направлении север-юг и 0,4x10в-9 в направлении восток-запад. Все эти микродеформации также не нарушают работы ускорителя. Только микродеформации, связанные с паводками, могут обусловить остановку работы У-70 в весенний и осенний сезоны.

Этот полигон нацелен на анализ специфики микродеформаций во внутриблоковой Павловской трещинной зоне шириной 200 м, по сравнению с микродеформациями в монолитной части блока (полигон Протвино, находящийся примерно в 5 км). Зона зафиксирована геолого-геоморфологическими, геодезическими данными и материалами эманационной съемки. Створ знаков высокоточного нивелирования фиксирует за 1981-1989 гг. в пределах трещинной зоны движения с амплитудой в годовом цикле 2,4-3 мм ( при амплитуде внутри блоков 0,05-0,12 мм), а за четыре года — порядка 3,5 мм (внутри блоков 0,22 мм). Наклономерно-деформографические измерения фиксируют сезонную волну горизонтальных движений: в марте-апреле начинается расширение породы, которое в августе-сентябре переходит в сжатие со средней амплитудой за 9 лет 2,4х10в-5. Средняя амплитуда сезонной волны вертикальных смещений 2x10в-4 (в марте-апреле— опускание в трещинной зоне, а с сентября — поднятие). Наметились также 2,5- и 5-летние гармоники с амплитудами в 1,6-2 раза меньше годовых. Средние значения полусуточной приливной волны M2 — 2,7x10в-9. Это в 3,7 раза ниже теоретического значения, что объясняется разгрузкой напряжений в крыле незалеченного тектонического нарушения.
В периоды преобладания растяжений происходит, как правило, опускание блоков в пределах трещинной зоны, а в периоды сжатия - поднятие. Горизонтальные движения обычно на порядок меньше вертикальных. Наиболее тесная связь микродеформаций отмечается с вариациями радона, связанными с изменениями проницаемости зоны.
Поскольку смещение, зафиксированное в центре трещинной зоны (до 5х10в-6 в месяц), в 2,5 раза превышает технологический допуск (2x10в-6), пересечение сооружением Павловской зоны признано нецелесообразным.

Здесь в более крупной, чем Павловская (X порядок), Боровнинской зоне диаклазового шва (VIII порядок) микродеформации еще интенсивнее: вертикальные смещения До 6x10в-5 в месяц, т.е. 4,8 мм на базе 80 м, а горизонтальные до 8,8x10в-5 (т.е. 5,3 мм на базе 60 м) в месяц. Это в три раза превышает технологический допуск. Средняя величина смещений в геодезическом створе близка к величинам смещений в ненарушенном массиве, и составляет 0,17 мм в месяц, т.е. не превышает допуска. Соответственно планируется пересекать Боровнинскую зону не подземным, а наземным сооружением выводного канала.

Повторные нивелировки проводились как по поверхностной, так и по туннельной сети. Измерения по поверхностной сети (три цикла в 1981-1983 гг.) по различиям в фазах колебательных перемещений отдельных групп реперов фиксируют блочность и в пределах Дракинского блока. Близкий характер и величины микродеформаций фиксируются и в туннеле на глубинах 30-40 м. Горизонтальная деформация капитальной крепи туннеля достигает 1,7 мм/год. Значительные изменения напряженного состояния пород на краях трещинных зон, отмечавшиеся на полигоне Павловка, фиксируются резким увеличением величины переборов при проходке туннеля взрывным способом. Изменения напряженного состояния пород в разных частях кольца УНК привело к образованию вывалов, разрушающих крепь. Это свидетельствует о том, что кольцо УНК вблизи трещинных зон подвержено не только микро-, но и макродеформациям. Следует также отметить, что в туннеле УНК проводится большая работа по изучению изменения свойств пород, их температуры, изменению уровня грунтовых вод и других параметров, которые могут влиять на величину и распределение микродеформаций.