Инженерно-геологические изыскания при строительстве подземных сооружений

К подземным сооружениям, строительство которых осуществляется во все больших объемах, относятся:

• тоннели
• шахты
• подземные хранилища нефти, газа
• холодильники и складские помещения
• резервуары ГАЭС
• сооружения культурно-бытового (магазины, кинотеатры, гаражи, вокзалы и др.) и специального назначения.

Особенности взаимодействия подземных сооружений с окружающей их геологической средой состоят в изменении (разгрузке) напряженного состояния горных пород вокруг выемки, результатом которого являются горное давление, пучение, обрушение, сдвижение и другие инженерно-геологические процессы; создании границы раздела геологической среды с подземной атмосферой, обусловливающей подземное выветривание, суффозию, выплываиие плывунов в выработку, дренаж подземных вод, вынос заполнителя трещин и пустот, прорывы вод и газов в выемку.

Перечисленные процессы могут существенно усложнить строительство подземных сооружений, привести к авариям и человеческим жертвам, поэтому в задачу инженерно-геологических изысканий входят прогноз инженерно-геологических процессов и разработка рекомендаций, касающихся конструктивных решений и рациональных способов ведения работ.

Изыскания для подземных сооружений проводят с целью обоснования схемы (в рамках генерального плана города, промышленного комплекса); для обоснования проекта подземного сооружения; рабочей документации; при строительстве ответственных подземных сооружений и иногда в процессе их эксплуатации.

Схема содержит замысел использования подземного пространства города, промышленного комплекса на перспективу, очередность проектирования и строительства подземных сооружений.

Инженерно-геологическое заключение, обосновывающее схему, составляют по накопленной инженерно-геологической информации (этап I).

Оно должно содержать описание инженерно-геологических условий планируемой для освоения территории, а точнее — области геологического пространства, рекомендации о возможностях строительства подземных сооружений, рассмотрение условий и процессов, с которыми встретятся строители подземных сооружений.

В инженерную задачу проекта входят выбор места строительства (трассы) подземного сооружения, разработка компоновочного решения, проведение предварительных расчетов, выбор типа и конструкции сооружения, разработка проекта защитных мероприятий.

В соответствии с условиями инженерной задачи инженерно-геологические изыскания для обоснования проекта отвечают этапам IIа (инженерно-геологические работы на конкурирующих вариантах) и этапам II6 (работы на выбранной строительной площадке).

На участке предполагаемого строительства, охватывающем возможные варианты, или на отдельных участках проводят инженерно-геологическую съемку специального назначения масштаба 1:10 000.

На участках возможного размещения порталов тоннелей, штолен, порталов подземных хранилищ масштаб съемки — 1 : 2000 — 1 : 5000. При изысканиях для линейных сооружений ширина полосы съемки — до 1 км.

Территория съемки обосновывается в программе работ с таким расчетом, чтобы съемкой была охвачена область геологической среды, которая прямо или косвенно (например, формирование депрессионной воронки при водопонижении) будет взаимодействовать с сооружением или с орудиями труда, используемыми в ходе строительства.

Съемка включает помимо описания, опробования и документации проходку разведочных выработок, инженерно-геологическое и гидрогеологическое опробование, опытные инженерно-геологические работы, обследование состояния существующих наземных и подземных сооружений.

В результате съемки должны быть получены данные для выбора мест строительства подземных сооружений, сопутствующих им наземных (околошахтных) сооружений и мест для размещения отвалов породы.

В рамках изысканий для проекта проводят геофизические исследования с целью получения данных об общей структуре (геологической и тектонической) участка намеченного строительства подземного сооружения; о глубине залегания коренных пород и подземных вод, направлении и скорости их движения; трещииоватости и сохранности пород; положении зон трещиноватости и тектонического дробления.

Для получения перечисленных данных применяют электропрофилирование, ВЭЗ (в том числе круговые), сейсморазведку, каротаж скважин. На площадке возможного размещения подземного сооружения ведут горно-буровые работы.

Они проводятся с целью детализации геологического разреза (до МГТ-2); опробования и определения классификационных показателей для тех МГТ-2, которые будут вскрыты подземным сооружением; выявления гидрогеологических условий (водообильность, проницаемость и их изменчивость, химический состав и агрессивность подземных вод); выявления газоносности пород, давления и температуры газов, их химического состава.

При глубине подземного сооружения до 300 м одну - две скважины бурят на наиболее перспективном для размещения сооружения месте до отметки его подошвы. Другие, мелкие, выработки располагают в соответствии с параметрами двумерного сппинфа, который рассчитывают по данным рекогносцировочных работ, входящих в опробование (геофизические методы).

Глубокие (100-300 м) скважины тщательно исследуют: наблюдают за процентом выхода керна, водопоглощением, ведут температурные измерения и каротаж, наблюдают за породами в стенках (телеперископы, фотобуроскопы, телефотомстрия).

Гидрогеологические исследования должны дать исходные данные для расчета водопритоков в выемку подземного сооружения, расчета водопонизительных установок, определения гидродинамического давления на породы и давления на обделку, данные о химическом составе, агрессивности и коррозионной активности подземных вод.

Для получения сведений о гидрогеологических условиях проводят гидрогеологические наблюдения режимного характера и гидрогеологическое опробование, одиночные и кустовые откачки из скважин, наливы и нагнетания в скважины.

В отчетных материалах должны найти отражение следующие вопросы:

• общая устойчивость области геологической среды, взаимодействующей с сооружением; тектоническая структура;
• инженерно-геологические процессы, участки и характер нарушений устойчивости пород при проходке выемки (вывалы блоков пород, высыпание, выпучивание, выплывание), условия проявления горного давления;
• прочность пород и категории их разрабатываемости;
• возможность и формы проявления подземного выветривания и выщелачивания горных пород;
• температурный режим в выработке при проведении работ, газопроявления, водопроявления, гидростатическое давление подземных вод на обделку;
• размер депрессионной воронки, влияние водоотлива на режим эксплуатации водозаборов в районе подземного строительства;
  температура, химический и бактериальный состав подземных вод, их агрессивность по отношению к материалу обделки, коррозийные свойства  пород.

Инженерно-геологические изыскания, проводимые на стадии РД, должны обеспечить решение следующих инженерных задач:

• окончательный расчет сооружения, установление его параметров, конструкций, в том числе конструкций и типа обделки;
• обоснование способов производства горных работ (взрывной, щитовой, во до понижение, водоотлив, замораживание);
• разработка проекта защитных мероприятий.

Детальную инженерно-геологическую разведку проводят на местах размещения подземных сооружений и их частей. В дополнение к скважинам, пробуренным на стадии проекта, проходят скважины в тех пунктах предполагаемой сферы взаимодействия, о геологическом строении и свойствах грунтов которых необходимо получить данные, требуемые для проведения окончательных расчетов.

В процессе проходки скважин ведут отбор образцов пород и проб воды. Для образцов пород определяют показатели прочности, используемые в расчетах. Данные разведки и опробования должны быть достаточными для расчленения пород сферы взаимодействия на инженерно-геологические элементы.

Гидрогеологические работы помимо наблюдений за уровнем подземных вод и гидрогеологического опробования могут включать опытно-фильтрационные работы. В лабораторных условиях определяют химический и бактериальный состав подземных вод и их агрессивность.

На стадии РД очень большое значение приобретает проведение полевых испытаний грунтов. Определяют сжимаемость грунтов штампами в шурфах и скважинах, ведут прессиометрические испытания, опыты по срезу целиков пород в шурфах и штольнях, проводят измерение горного давления в штольнях и упругого отпора пород.

В разведочных шахтах и штольнях проводят наблюдения за поведением пород.

Изыскания, проводимые в период строительства и эксплуатации подземных сооружений (этапы IV-V), имеют первостепенное значение, так как данные об инженерно-геологических условиях, полученные при изысканиях для проектирования сооружений (особенно глубокого заложения), часто нуждаются в существенных коррективах.

Сравнительный анализ данных о наблюдаемых в строительной подземной выемке инженерно-геологических условиях и аналогичных данных изысканий для проекта позволяет откорректировать инженерно-геологический прогноз и внести изменения в конструкцию сооружения и способы производства горных работ.

В ходе строительства ведут оперативную инженерно-геологическую разведку, включающую документацию выработки, гидрогеологическое и инженерно-геологическое опробование, опытные работы по измерению горного давления, наблюдения.

В состав инженерно-геологических наблюдений входят:

• гидрогеологические наблюдения (температура, состав подземных вод; величина водопритоков, их приуроченность к трещинам и зонам, пространственная изменчивость);
• наблюдения за температурой пород и температурой и загазованностью воздуха;
• наблюдения за инженерно-геологическими процессами (подземное выветривание, разуплотнение, пучение, стреляние и др.);
• наблюдения за состоянием и деформациями креплений и обделки сооружения;
• наблюдения за проведением горных работ, разрабатываемостью и разрыхляемостью горных пород;
• наблюдения за сдвижением поверхности.