CC BY
35
Е.Ю.Куликова
1 ---- "■"' =1 ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ
СВОЙСТВА ВМЕЩАЮЩИХ ТОННЕЛЬНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ПОРОД И ИХ ВЛИЯНИЕ НА НАДЕЖНОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ
Всякое подземное сооружение, в том числе и тоннельного типа, начинает взаимодействовать с геологической средой еще на стадии строительства, образуя сложную систему «подземный объект — геологическая среда». Равновесие этой чрезвычайно подвижной системы зависит от составляющих ее компонентов. Подземные воды, как наиболее подвижный компонент этой системы, являются одной из основных причин снижения надежности и долговечности тоннельного сооружения. Борьба с фильтрацией и миграцией подземных вод в тоннель чаще всего сводится к повышению гидроизоляционных свойств обделок. Однако такой способ защиты не всегда является целесообразным, экономичным и единственно возможным. Поэтому наиболее действенным решением является вовлечение в работу обоих элементов системы «подземное сооружение — массив горных пород» и управление фильтрационными свойствами, прежде всего, массива.
Для управления этой системой встает задача изучения свойств вмещающих тоннельные сооружения пород, определения возможности и причины выноса их в подземных объект, оценка вероятности фильтрационного разрушения грунта в заобде-лочном пространстве тоннелей.
При обследовании действующих линий метрополитена мелкого заложения были обнаружены значительные просадки лотка тоннеля. Просадка лотка тоннеля имеет распространение в основном в местах выноса грунта. Образование полостей под лотком тоннеля нарушает статический ре-
жим работы обделки и неизбежно приводит к рассматриваемому явлению. На рисунке приводится результат графического анализа зависимости осадки тоннеля от объема вымытого грунта. Как видно из графика, имеет место четкая корреляция между этими двумя явлениями, причем по мере роста объема вымытого песка величина осадки возрастает по параболической зависимости. Осадка неизбежно вызывает растрескивание элементов обделки, что ведет к усилению течей, выноса грунта. Процесс становится непрерывным и ведет к потере тоннеля. Таким образом, проблема ликвидации течей и особенно течей с выносом песка, является одной из важнейших проблем долговечности тоннелей метрополитена. Начальными дефектами, через которые выносится грунт из-за обделки, являются трещины и «свищи», причем более 60% грунта выносится через трещины и менее 40% — через «свищи».
Рис. Зависимость осадки лотка тоннеля 5 от количества вымытого песка V
Характерно, что некоторые из «свищей» фонтанируют. По Калининскому радиусу московского метрополитена общее количество течей на 01.02.80 г. составило 10388, а на 30.06.80 г. — 13149* из них 12963 — в перегонных тоннелях. Увеличение количества течей в короткий срок, приводит к выводу о развитии течеоора-зования во времени и ставит вопрос о вскрытии механизма этого процесса.
Рассмотрение проблемы выноса грунта через дефекты обделки показало, что такой вынос является результатом сложных процессов, связанных с фильтрационным воздействием подземных вод на грунт. Фильтрационное разрушение грунта проявляется там, где на обводненный грунт действуют факторы, приводящие к его разжижению. Последнее явление характерно практически для всех обводненных грунтов и имеет характер, позволяющий считать его причиной псевдоплывунных свойств грунтов. Сама по себе истинная плывунность связана с особым физико-химическим состоянием взаимодействия воды и грунта, при котором он переходит в неспровоцированное текучее состояние. Существо явления заключается в том, что при определенной степени дисперсности песка в присутствии коллоидных глин и других веществ, частицы твердого вещества взвешиваются в воде, отделяясь друг от друга пленками воды. В силу воздействия электромолекулярных сил, вода в пленках находится под большим давлением (до 1000 МПа) и приобретает повышенную плотность (больше 1). Высокая плотность воды, щшближаясь к плотности твердого тела, обеспечивает, по закону Архимеда, значительный взвешивающий эффект, в результате чего смесь грунта и воды течет.
От плывунов отличаются псевдоплывуны, которые в определенных условиях также плывут, что объясняется потерей внутреннего трения и взвешиваем частиц в воде. Условиями образования псевдоплывунов является гидравлический градиент 1, при котором порода переходит в плывун, и критическая пористость грунта. Критическая пористость грунта (песка) —это такое значение его пористости, при котором не наблюдается изменения объема песка при сдвиге. Критическая пористость служит
границей между плотным и рыхлым состоянием песка.
Более грубообломочные породы не могут легко перетекать как плывуны или псевдоплывуны. Однако, при определенных условиях они разжижаются и легко перемещаются в пространстве. Чаще всего в разжиженное состояние переходят пески с критической пористостью, т.е, разжижение — это вид псевдоплывунности песков и грунтов. При этом, если пески чистые, то разжижение сопровождается его уплотнением даже в условиях динамических воздействий и только приложение больших динамических ускорений понуждает песок снова разжижаться. Если же песок загрязнен глинистыми и другими коллоидными частицами, его текучесть увеличивается за счет явления тиксотропии, т.е. нарушения слоившейся структуры при динамических воздействиях. Тиксотропные свойства могут проявляться в песках и суглинках, если эти породы содержат достаточное количество коллоидов, обладающих высокой структурообразующей способностью. В настоящее время считается, что тиксотроп-ное структурообразование зависит от:
количества и состава высокодис-
перстных частиц;
Т] формы и строения частиц (особенно глинистых материалов);
[~в| состава, состояния и активности органического вещества;
Т] минерализация поровых растворов; д| состава обменных катионов и ряда других факторов.
Таким образом, грунт, состоящий из песка, загрязненного или незагрязненного глиной и т.п., может быть неустойчивым, приобрести подвижность (при одновременной потере несущей способности) в результате суффозных явлений, явлений псевдоплывунности, разжижения, тиксот-ропного разрушения грунта. Все эти факторы чаще всего действуют совместно, если имеет место фильтрация через грунт подземной воды, обладающей достаточным напором.
Внутренняя суффозия возможна в том случае, если грунт сложен из частиц разного диаметра, причем минимальный диаметр частиц грунта <1т.п равен или меньше
диаметра фильтрационных ходов-пор йп в частицах большого диаметра, т.е.
тт **п
Это имеет место в том случае, если диаметр зерен более крупной фракции I) превышает диаметр смежной с ней фракцией <1 более чем в 20 раз, т.е.
/> / А > 20.
Вторым условием выноса мелких частиц из песка является турбулентное движение воды в порах, что в песке может быть при условии, что градиент напора 1 больше 5.
Третье условие выноса частиц из грунта заключается в том, что суффозия на контакте двух слоев будет возможна, если отношение коэффициентов фильтрации породы в этих слоях будет больше, чем 2.
В восходящем потоке подземных вод фильтрационное разрушение породы и вынос частиц возможет, если градиент напора равен
/ =45
лразр
расч
где С(
(1°
ср
расч
— расчетный диаметр пор в породе, мм;
(1)
^ср — средний диаметр пор в породе, мм.
Расчетный диаметр пор в породе определяется как
расч Г1----- разр ’
уД — у
где Д — плотность частиц породы; у — средняя плотность воды фильтрационного потока;
Уразр — разрушающая скорость
фильтрационного потока в порах породы, см/с;
разр
П
разр
разрушающая скорость потока, определяемая опытным путем; п'— действительная пористость породы,
п' =л(1 -0,114
п — пористость, определенная лабораторным путем.
Средний диаметр пор в породе вычисляется по формуле:
^=3,1
п'
где Кср — средний коэффициент
фильтрации породы, см/с;
V — динамический коэффициент вязкости воды, см1/с.
Критическую скорость, при превышении которой наблюдается суффозный вынос частиц, можно определить по формуле С. Абрамова:
V -60^, (2)
где Кф — коэффициент фильтрации породы.
Описанный механизм суффозии характерен для грунтов, где частицы находятся в простом соприкосновении друг с другом. При наличии в грунте мелких и мельчайших коллоидных частиц и некоторой связности происходит как бы внутренний размыв породы. В том случае, если порода типа глин, лессов и т.п. имеет трещины, крупнопориста, происходит разрушение стенок этих неплотностей с образованием полостей. Если фильтационно-неустойчи-вая порода (те же глины) контактирует с хорошо водонепроницаемой породой, происходит контактная суффозия. Скорость течения воды при этом, согласно С.Избаш (при фильтрации снизу вверх):
разр
= V +/
(Р] о2 Г
(3)
где — скорость фильтрации, при
которой преодолевается вес частицы песка. Экспериментально формула Л.Козловой утверждает, что
с/.
разр
= 0,26<Р (
1 + 1000
60
)•
с м/с
СУ}
'во' (4)
где (160, 2>б0 — размеры частиц песка и
гравийного слоя, меньше которых в породе содержится 60% от суммы всех частиц.
Фильтрационное разрушение грунта не исчерпывает всех процессов, происходящих в грунтах, окружающих тоннель метрополитена. В значительной степени, в разрушении грунта имеется процесс его разжижения.
Описанный механизм суффозного разрушения грунтов в условиях напорной обводненности позволяет оценить свойства, вмещающего тоннели метрополитена.
Фильтрационное разрушение грунтов может быть оценено по формулам (1) и (2) по напорному градиенту фильтрации и критическим скоростям. Для однородных лесков критические скорости и градиенты фильтрации можно принять по данным И.Володько, приводимым в табл. 1.
Таблица 1
Диаметр зерен, ММ Критическая скорость фильтрации \ZttD, м/сут Критический градиент фильтрации 1 разряда
0,57 890 6,67
0,90 530 1,63
1,35 300 0,54
При более сложной структуре и сложении вмещающих пород наблюдается коллоидно-механическая суффозия, которая может проявляться в выносе мельчайших частиц через пустоты крупных. Это особенно полно происходит на контакте филь-тационно-неустойчивых пород с хорошо водонепроницаемыми породам: галечниками, твердыми трещиноватыми или за-карстованными породами (см. формулы (3) и (4)). Согласно расчетам Д. Джастина, величина размывающей скорости частиц гравия и песка имеет величины, приводи-мые в табл. 2. Таблица 2
Диаметр частиц, мм Критическая скорость Уразр
м/мин см/с
5 13,23 22,1
3 10,37 17,3
1 5,91 9,85
0,8 5,30 8,83
0,5 4,18 6,97
0,1 1,83 3,05
0,08 1,67 2,79
0.05 1.31 2,19
0,03 1,04 1,74
0,01 0,59 0,98
однородного идеализированного грунта. Для реальных грунтов, вмещающих тоннели метрополитена, были найдены критические скорости фильтрации и градиенты напора в соответствии с изложенными методиками и данными о свойствах грунтов толщ, в которых пролегают тоннели Московского метрополитена.
Полученные результаты о критической скорости и градиенте напора, при которых происходит вынос несвязных фунтов, позволяют оценить вероятность того, будет ли иметь место этот вынос через трещины и «свищи» в обделке тоннели.
Скорость фильтрации через трещину или «свищ» V равна:
V = к I
тр п л >
где Кп — коэффициент фильтрации
породы, вмещающей тоннель;
/ — градиент напора, I ■ (Я - Н0) / о;
Н0 — напор на внутренней стенке
обделки (со стороны выработки), Я0 = 0;
Я — напор грунтовых вод, м водн.ст; а— толщина обделки, м.
Тогда Утр = Кп Н/о.
В соответствии с применяемыми для крепления тоннелей метрополитена типами обделок (УТБ, ЦТПЛ и др.) величина о =0,2 м.
Примем горизонт грунтовых вод на следующих уровнях: на уровне лотка тоннеля; на уровне горизонтального его диаметра; выше свода тоннеля.
Исходя из этого и пользуясь данными табл. 3 и формулой (2) определим, будет ли иметь место вынос заобделочных грунтов в тоннель. Результаты расчетов приводятся в табл. 4.
Как следует из данных табл. 4, при уровне грунтовых вод, стоящем выше свода, практически все несвязные обводненные грунты вымываются в тоннель через трещины, «свищи» и другие дефекты обделок. При этом грунты, обладающие большим коэффициентом фильтрации, вымываются, независимо от крупности чаще, чем грунты мелкозернистые, мало проницаемые, имеющие в своем составе глинистые и пылевидные вещества. Из этого следует, что самым простым способом борьбы с вымыванием грунтов является кольмата-ция их пор глинистыми веществами. Иначе говоря, глинизация грунтов была бы желательными мероприятием. Вероятно, глинизация возможна для крупнозернистых сравнительно однородных грунтов. В остальных случаях необходимо химическое закрепление грунтов, вмещающих тоннель.
Второй вывод из данных табл. 4 заключается в том, что можно предвидеть, что в случае повышения уровня грунтовых вод в период значительных атмосферных осадков, может произойти вынос в тоннель и тех грунтов, которые в обычных условиях можно считать стабильными.
С целью оценки предложенного способа определения возможности выноса грунтов в тоннель были рассмотрены имеющиеся случаи выноса грунтов в действующие тоннели метрополитена. Результаты оценки и практические данные совпали. Таким образом, получена возможность за-
ранее оценить вероятность заранее оценить вероятность образования выноса через дефекты обделки в зависимости от горизонта грунтовых вод (давления подземных вод), типа грунта и его коэффициента фильтрации.
Таблица 3
Порода Объем- ный Удель- ный Пори- стость Коэффи- циент Угол внутрен- Коэффициент фильт- Условия выноса грунта через дефекты обделок
вес кН/мЗ вес кН/мЗ % пористо- сти него трения рации, м/сут Критическая скорость Фильтрации Критический градиент напора
Моренные суглинки 16 27 41,0 0,5-1,0 20 0,1-0,5 27,9-47,6 1,01
Моренные супеси 16 27 41,0 — 38 0.1-0,9 27,9-58,1 1,01
Моренные пески:
мелкоэернстые 15 26,7 44,0 — 19 2.7-3,9 83,5-94,5 0,93
среднезернистые 15 26,7 44,0 — 21 6,18-13 110,1-140 0,93
крупнозернистые 15 26,7 44,0 — 23-25 25-30 175.2-186,6 0,98
Флювиагляциальные
суглинки 23 27,1 15,4 — 21 — — 1,45
Флювиагляциальные пески:
мелкоэернстые 16 26,5 39,5 0,5-43,73 32 0,14),5 27,9-47,6 0,83
среднеэернистые — — — 2,6 62,5 0,83
крупнозернистые — — — — — 15,0 148,2 0,83
Древнеаллювиальный
суглинок 16 27 41,0 — 20 2,0-3,0 75,6-86,5 1,01
Древнеаллювиальные пески:
мелкоэернстые 15,6 26 40,0 — 27 1,3-3,0 65,5-86,5 1,00
среднеэернистые 16,0 26 38,5 — 29 3,0-4.0 86,5-95,3 0,98
крупнозернистые 17,0 26 35,5 — 30 3,0-4.0 95,3-102,6 —
Аллювиальные пески
современных отложений — — — — — 3,81 93,7 —
Таблица 4
Порода Уровень горизонта грунтовых вод относительно сечения тоннеля Коэффициент фильтрации, м/сут Скорость фильтрации, через трещи-ны и течи, м/сут Критическая скорость фильтрации, м/сут Будет ли вынос грунта в тоннель
Моренные суглинки На уровне лотка 0.1-0,5 0,1-0,5 27,9-47,6 Нет
На уровне диаметра 0,1-0.5 1,4—6,9 27,9-47,6 *
Выше свода 0,1-0,5 3,0-15,0 27,9-47,6
Моренные супеси На уровне лотка 0,1-0,9 0,1-0,9 27,9-58,1 *
На уровне диаметра 0.1-0.9 1,4-12,3 27,9-58,1 *
Выше свода 0,1-0,9 3.0-27,0 27,9-58,1 к
Моренные пески На уровне лотка 2,7-3,9 2,7-3,9 83,5-94,5 *•
мелкоэернстые На уровне диаметра 2,7-3,9 37-53,6 *
Выше свода * 81,0-117.0 Да
То же На уровне лотка В, 18-13,0 6,18-13.0 110,1-141 Нет
среднеэернистые На уровне диаметра ** 185-380 “ Да
Выше свода 85.0-179,0
То же На уровне лотка 25.0-30,0 25,0-30,0 175,2-186,6 Нет
крупнозернистые На уровне диаметра а 343,0-412,0 44 Да
Выше свода н 750,0-900,0
Флювиагляциальные На уровне лотка 0,1-0,5 0,1-0,5 27,9-47,6 Нет
пески мелкоэернстые На уровне диаметра 1,4-6,9 “ и
Выше свода ** 3,0-15,0 *
То же На уровне лотка 2,6 2,6 62,5
среднеэернистые На уровне диаметра “ 35,8 " и
Выше свода 2,6 78 62,5 Да
То же На уровне лотка 15 15 148,2 Нет
крупнозернистые На уровне диаметра 41 206,2 “ Да
Выше свода 225,0 "
Древмеаллювиапьный На уровне лотка 2-3 2-3 75.6-86,5 Нет
суглинок На уровне диаметра 2-3 27,5-41,25 м '*
Выше свода и 60,0-90,0
Порода Уровень горизонта грунтовых вод относительно сечения тоннеля Коэффициент фильтрации, м/сут Скорость фильтрации, через трещины и течи, м/сут Критическая скорость фильтрации, м/сут Будет ли вынос грунта е тоннель
Древмеаллюаиальные На уровне лотка 1.3-3,0 1,3-3.0 65,5-86,5 Нет
пески мелкозернстые На уровне диаметра и 17,9-41.3
Выше свода 39,0-90,0 ** Да
То же На уровне лотка 3,0-4,0 3,0-4,0 06,5-95,3 Нет
среднеэернистые На уровне диаметра 41,3-55,0 ** “
Выше свода 90,0-120.0 и Да
То же На уровне лотка 4,0-5,0 4,0-5,0 95,3-102,6 Нет
крупнозернистые На уровне диаметра “ 35,0-68,8 “
Выше свода * 120,0-150,0 Да
Аллювиальные пески На уровне лотка 3.81 3,81 93,7 Нет
современных отложений На уровне диаметра 52,4 11
Выше свода ' 114,3 11 Да
.......;;;Я ......................
...
..... _.
Томаков П.И., Коваленко B.C., Михайлов А.М., Калашников А.Т. Экология и охрана природы при открытых горных работах. — М.: Издательство МГГУ. — 1994, — 418 с.
Рассмотрены антропогенные факторы в природе. Изложены основы взаимодействия природы и общества и воздействие горной промышленности на окружающую природную среду. Приведены основные способы и средства по снижению загрязнения I атмосферы при производстве открытых горных работ. Обоснованы методические положения и технологические решения по рациональному использованию земель на карьерах. Даны общие сведения и технические решения по охране и рациональному использованию водных ресурсов, а также основные направления рационального использования недр при открытых горных работах. Изложены основы организации ъ стимулирования природоохранной работы и экономики природопользования на горных предприятиях.
Предназначено для студентов горных специальностей вузов, может быть использовано в практической работе горными инженерами.
...............................
: ■ РЕТРО ДАЙДЖЕСТ*
к •
Ш
* л коло двух лет назад на юге России в Донецком округе возникло впервые свинцовое *
: производство. Разведки показали, что свинец Донецкого бассейна может явиться:
: серьезным конкурентом иностранному, которого привозится около 1 млн пудов в год. 2 : Теперь горный департамент командировал нескольких лиц для ознакомления с совре- ; ; менным состоянием свинцового производства в местах существующей добычи. ;
* и
; «Сын отечества», 1893 •
* ц
