4.5 Проходка шурфов

Шурф – горная выработка квадратного прямоугольного или круглого (шурф - дудка) сечения. Проходится в ручную горна проходческими машинами или буровыми установками.

Достоверность и точность изучения инженерно-геологических условий при разведочных работах достигается установлением оптимальных расстояний между разведочными выработками, то есть густотой разведочной сетки.

При определении детальности разведки учитываются следующие обстоятельства:

1. неоднородность и изменчивость инженерно-геологических условий по площади;

2. размеры сооружений в плане, их класс и степень ответственности;

3. существующий опыт инженерных изысканий для обоснования проектов различных сооружений;

4. необходимость достоверного и точного изучения инженерно-геологических условий.

Из всех разведочных работ шурфы дают более достоверную информацию характера залегания горных пород их физического состояния.

Позволяют:

1. установить точное положение геологических границ;

2. сохранить минимальную нарушенность естественного сложения, влажности и физического состояния горных пород, извлекаемых из шурфа в виде образцов для полной и достоверной их характеристики и оценки в лабораторных условиях.

В шурфах на образцах не нарушенного сложения можно определить деформационные и прочностные характеристики грунта на месте строительной площадки, особенно на предлагаемой глубине заложения фундамента.

Кроме того если уровень грунтовых вод находится на глубине 3-5м от дневной поверхности, то мы можем установить водопроницаемость пород путем определения коэффициента фильтрации методом А.К. Болдырева.

Шурфы позволяют сделать разрез – развертку и посмотреть характер залегания плостов горных пород на данной территории инженерно-геологического разреза по стенкам шурфа.

4.8 Обследование мест проявления деформаций существующих зданий вдоль трассы строящегося метрополитена

Освоение подземного пространства крупных городов связано со строи­тельством сооружений различного назначения, например, метрополитенов, транспортных и коммунальных тоннелей и др., возводимых в условиях сло­жившейся застройки, как правило, закрытым способом.

Частичная подработка территории и сопутствующее понижение уровня подземных вод (УПВ) в ре­зультате предварительного (строительного) водопонижения или водоотлива, осуществляемого в процессе проходки подземной выработки, приводят к раз­витию осадок, горизонтальных перемещений и деформаций земной поверхно­сти на ограниченной площади. По аналогии с картиной, наблюдаемой при раз­работке полезных ископаемых шахтным способом, эта площадь называемся мульдой сдвижения (осадки обусловлены изменением напряженно - деформи­руемого состояния массива при выемке грунта) и депрессии (осадки за счет по­вышения эффективных напряжений в скелете грунта при водопонижении и устранении архимедовой силы в осушенном массиве). В случаях попадания зданий и сооружений на криволинейные участки мульды возникает опасность повреждения и даже, в наиболее неблагоприятных условиях, разрушения.

Прогнозные расчеты, осуществляемые на стадии проектирова­ния подземного объекта, призваны установить наиболее значимые факторы в указанном неблагоприятном процессе, что позволяет предусмотреть адекват­ный комплекс конструктивных, горнотехнических и технологических меро­приятий по защите городской застройки.

Отличительная особенность строительства метрополитенов в крупнейших городах Урала Екатеринбурге и Челябинске – чрезвычайная неоднородность литологического строения вмещающей толщи, представленной в основном элювиальными грунтами, и обводненность пород. Как показал опыт строительства, наиболее значимым фактором в рассматриваемом процессе являются неравномерные осадки дисперсных грунтов, обусловленные водопонижением.

Проведённый анализ, региональных особенностей строительства метрополитенов на Урале и обзор применяемых способов прогнозных расчетов деформаций земной поверхности в связи со строительством относительно неглубоких подземных сооружений позволил сформировать следующие задачи исследования :

1. На основании оценки напряженно-деформируемого состояния грунтового массива выбрать аналитические функции перемещений, адекватного отражающие процессы, сопровождающие возведение подземных сооружений метрополитена, и учитывающие возведение подземных сооружений метрополитена, и учитывающие региональные инженерно-геологические и технологические условия строительства.

2. Разработать способ прогнозирования развития депрессионных воронок и деформаций земной поверхности в мульде депрессии при снижении УПВ при различных условиях водопонижения, учитывающий возможность анизотропии фильтрационных свойств вмещающих пород.

3. Составить алгоритм прогнозирования и разработать пакет прикладных программ на базе РС, позволяющий выполнять гидрогеологические и геомеханические расчеты, оценивать влияние каждого фактора и сооружения, а также их совместное действие на развитие деформаций земной поверхности и городскую застройку.

4. Выполнить сравнение результатов прогнозных расчетов по предлагаемой методике с результатами натурных маркшейдерских и гидрогеологических наблюдений, а также с расчетами другими способами, например, МКЭ.

5. Предложить конструктивные и горнотехнические мероприятия по защите зданий и сооружений, попадающих в мульду сдвижение и депрессии, учитывающих особенности их статических схем, оснований и фундаментов.

Региональные особенности строительства метрополитенов на урале

На определенном этапе развития больших городов появляется потребность совершенствования или реконструкции их транспортной схемы. Одним из радикальных способов улучшения транспортного обслуживания в городах с населением более 1 млн. человек является строительство метрополитена.

Рис. 1.1 Схема линий метрополитена в г.Екатеринбурге

Строительство первой очереди началось в 1981 году в направлении Се­вер-Юг. К 1995 году сданы в эксплуатацию 6 станций (8.2 км) первой очереди строительства. В 1998 году достраивается станция «Геологическая», ведутся горно-проходческие работы на перегонных тоннелях и станциях «Бажовская» и «Чкаловская».

Инженерно-геологические и гидрогеологические условия

Город Екатеринбург расположен в наиболее пониженной части Среднего Урала, в 15 км от водораздела. Рельеф района среднехолмистый эрозионно-денудационный. Вытянутость холмов определяется общим субмеридиональным простиранием пород и тектонических структур, контурами массива ультраосновных пород.

Главной гидрографической единицей является река Исеть, долина которой простирается по средней части города с северо-запада на юго-восток. В пределах трассы метрополитена р.Исеть имеет мелкие притоки: Ольховку, Мельковку, Основинку, Монастырку, Черемшанку. Все они в настоящее время на большей части их протяжения взяты в трубы и находятся под слоем насыпных грунтов.

В геологическом строении г.Екатеринбург принимают участие разнообразные, в значительной степени метаморфизованные палеозойские осадочно-вулканогенные образования, древняя (мезозойская) кора выветривания, четвертичные породы и жильные образования.

В структурном отношении рассматриваемая территория расположена в пределах Свердловского синклинория – обширного линейно вытянутого по меридиану участка земной коры, образовавшегося в результате раскалывания континента в позднем кембрии-ордовике (около 500 млн. лет назад), отличающемся интенсивным магматизмом и высокой степенью деформирования горных пород. С запада на восток выделяются Верх-Исетский и Монетнинско-Сидельниковский антиклинорий – крупные и сложные изгиб складчатых толщ, обращенный выпуклостью вверх. Самое широкое распространение в районе г.Екатеринбурга имеют силурийские отложения (третий период палеозойской эры – 330…400 млн. лет назад), представленные разнообразными по минералогическому составу порфиритами, туфами и диабазами, кристаллическими сланцами. Эти породы распространены на 75% площади трассы первой очереди.

Гидрогеологические условия района определяется развитием трещинно-грунтового водоносного горизонта, приуроченного к верхней трещиноватой зоне коренных пород. По трассе первой очереди строительства почти повсеместно выделяются два уровня подземных вод: верхний – на глубине 3-5 м от дневной поверхности приурочен к рыхлым четвертичным отложениям и элювию, залегает на слабофильтрующих прослоях; основной водоносный горизонт – располагается в трещинной зоне скальных пород. Оба горизонта гидравлически связаны между собой. Трещинные воды, как правило, имеют ненапорный характер, получают питание за счет инфильтрации атмосферных осадков и утечек из подземных водонесущих коммуникаций. Глубина залегания трещинно-грунтового горизонта подземных вод зависит от высотного положения участков: обычно на глубине 3-10 м с увеличением до 15-20 м на наиболее возвышенных местах, например, на перегоне ст. «Машиностроителей» - ст. «Уралмаш».

Основной особенностью трещинного водоносного горизонта является его весьма высокая неоднородность по водопроницаемости: например, коэффициент фильтрации изменяется от сотых и тысячных долей до 10-20 метров в сутки, а, следовательно, и удельные дебиты скважин изменяются от сотых долей до 6-7 л в секунду. Водопроницаемость горизонта определяется интенсивностью и глубиной развития трещиноватости водовмещающих пород. В формировании водопроницаемости пород определяющая роль принадлежит «молодой» тектонической трещиноватости, которая наибольшую интенсивность имеет в зоне разрывных нарушений, в зонах контакта разнопрочных пород, по дайкам кислых пород, в краевых частях интрузивных массивов. Влияние вещественного состава, структуры и генезиса пород и процессов выветривания на формирование водопроницаемости, как правило, второстепенно.

В соответствии с геолого-литологическим разрезом и фильтрационными свойствами грунтов трасса первой очереди условно делится на 7 участков:

Первый участок протяженностью 2.2 км от ул. Щорса до ул.Декабристов сложен, в основном, порфиритами и их туфами, реже- сланцами и порфиритами Невьянской и Кировградской свит (эффузивные образование). Глубина залегания кровли скальных грунтов от 2.5 до 20 м и в среднем составляет 5-10 м. Мощность трещинно-грунтового водоносного горизонта – 16 м.

Второй участок протяженностью 2.7 км от ул. Декабристов до правого берега Городского пруда отличается пестротой и разнообразием пород Невьянской и Кировградской свит: идёт преслаивание туфов, зеленых сланцев, порфиритов различного состава, встречаются жильные тела, залегающие параллельно залеганию вмещающих толщ, и дайки, секущие вмещающие породы.

Третий участок протяженностью 0.38 км пересекает акваторию Городского пруда, по которой проходит граница между образованиями Кировоградской и Невьянской свит. Породы последней слагают левый берег пруда. На участке преобладают сланцы различного состава сильновыветрелые, в верхней зоне мощностью 1,0…5 м выветрелые до рухляков.

Четвертый участок от левого берега Городского пруда до переулка Красного протяженностью 0,32 км сложен метаморфическими сланцами выветрелыми и сильновыветрелыми, мощность выветрелой зоны от 0,3 до 10. Кровля скальных грунтов залегает от 1,8 до 18 м от поверхности. Уровень подземных вод зафиксирован на глубинах 1,25…2,0 м. Пределы изменения k=1,3…8,1 м/сут, для расчета принято среднее значение k=4 м/сут. Мощность водоносного горизонта 20 м.

Пятый участок от пер. Красного до ул. Фронтовых бригад протяженностью 3,55 км проходит по местности с постепенно повышающимся рельефом: разность абсолютных отметок поверхности 34 м. В литологическом строении принимают участие метаморфические и метаморфические карбонатосодержащие сланцы, значительно метаморфизованные порфириты основного состава. Глубина залегания кровли скальных пород от 0,7 до 19 м, степень выветривания – от слабовыветрелых до рухляков.

Шестой участок от ул. Фронтовых бригад до ул. Машиностроителей протяженностью около 1,3 км характеризуется наличием довольно мощного чехла прочноструктурных элювиальных суглинков с линзами сильновыветрелых метаморфических сланцев. Средняя глубина залегания коренных скальных пород около 11 м, глубина карманов выветривания- до 25 м. Уровень подземных вод на глубине около 22 м.

Седьмой участок от ул. Машиностроителей до ул. Совхозной протяженностью 1,7 км сложен в основном метаморфическими сланцами сильновыветрелыми и выветрелыми повышенной трещиноватости. В начале и конце участка вскрыты карманы выветривания глубиной 20 м, на остальной части трассы мощность рыхлых отложений от 1,5 м до 20 м, на остальной части трассы мощность рыхлых отложений от 1,5м до 12,6 м. Мощность водоносного горизонта 20 м.

По трассе тоннеля распространены два водоносных горизонта. Верхний горизонт подземных вод приурочен к четвертичным аллювиальным и гравийно-песчаным отложениям. Второй горизонт – трещинные воды в кварцевых диоритах верхнего палеозоя и в мезозойских элювиальных грунтах. Оба горизонта гидравлически связаны между собой, имеют единий статический уровень, зафиксированный на момент изысканий на глубине 4,6…11,0 м от поверхности, и носят безнапорный характер.

В целом гидрогеологические условия оцениваются как благоприятные, т.к. при бурении не встречены хорошо проводящие коллекторы с заметным и сильным поглощением воды, что подтвердила опытная откачка.

1. Конструктивно-технологические особенности возведение подземных сооружений

В конструктивном смысле компоновочная схема метрополитена в г. Екатеринбурге типовая: два перегонных тоннеля кругового очертания внутренним диаметром 5,1 м, расположенных на расстоянии (между центрами) около 15 м, соединяющие станции глубокого заложения односводчатого, двухсводчатого и трехсводчатого типов; станции мелкого заложения запроектированы с двумя рядами колонн и балочным перекрытием. Вер­тикальное перемещение пассажиров между платформами станций глубокого заложения и поверхностью осуществляется с помощью эскалаторов, проходящих под утлом 30° к горизонту в наклонном тоннеле внутренним диаметром 9,96 м при 4-х полосном эскалаторе.

Выбор глубины заложения станций и тоннелей осуществлен с учетом разницы в абсолютных отметках дна пересекаемых водных акваторий (Городского пруда в г. Екатеринбурге) и местности при соблюдении руководящих уклонов железнодорожного пути для метропоездов. На выбор глубины заложения сооружений метрополитенов, а следовательно, и на способы производства строительных работ, повлияли характер городской застройки и интенсивность движения транспорта по магистралям в районе трассы, а также ряд других факторов.

Строительство осуществляется двумя способами: горным и щитовым. При горном способе ведения работ рыхление пород производится буровзрывным методом, а проходку ведут сплошным (перегонные тоннели) или за­боем пониженного уступа (станционные тоннели). В качестве времен­ного крепления применяется арочно-набрызгбетонная и анкерная крепь. Для щитовой проходки используется высокопроизводительный ком­плекс фирмы «W1RTH», осуществляющий механическое разрыхление поро­ды. Постоянное крепление - чугунная или железобетонная обделка. Совместная работа массива горных пород и обделки тоннеля обеспечивается нагнетанием за обделку цементно-тампонажного раствора.

На некоторых участках возможно совмещение различных способов веде­ния работ. Например, односводчатая станция «Геологическая» в г. Екатеринбурге выполнялась с применением элементов технологии NATM сле­дующим образом: проходка боковых тоннелей с последующим сооружени­ем стен, проходка калотт и сооружение свода, разработка ядра и лотка с бето­нированием обратного свода. Особенностью технологии сооружения данной станции является разнесение в пространстве операций по разработке калотты и бетонированию постоянной обделки. Разработав грунт на очередной заходке, сооружали в своде временную арочно-набрызгбетонную крепь и про­должали проходку. Бетонирование постоянной обделки отставало от забоя на 25-35 м. Левый боковой тоннель пройден комплексом «WIRTH», правый - эректором с применением буровзрывных работ. Разработку грунта в калотте вели комбайном «Paurat», крепкие прослойки грунта разрушали мелко­шнуровым взрыванием.

Горнопроходческие работы сопровождаются постоянно действующим водоотливом. При больших водопритоках применяется предварительное строительное водопонижение с помощью глубоких скважин. Другие специаль­ные способы ведения работ, например, создание льдогрунтового массива или фильтрационной завесы и т.п., проектами строительства не предусматривают­ся, вследствие особенностей инженерно-геологических и гидрогеологических условий и дороговизны. Попытка осуществить кольматацию трещин путем предварительного нагнетания смолы в скальный массив сильнотрещиноватых талько-хлоритовых сланцев и тем самым уменьшить водопритоки в горные вы­работки при строительстве станций «Чкаловская» и глинистого раствора на станции «Динамо», отличающимися большими водопритоками, окончились неудачей, т.к. поставленные цели не достигнуты,- снизить водопритоки таким способом не удалось. Успешный опыт применения для этих целей двухрастворной силикатизации при проходке одного из тоннелей на пр. Космонавтов дальнейшего развития не получил из-за дороговизны.