2577

небольшая по мощности прослойка или линза пород со слабым сцеплением, вклинившаяся в косогорный скальный массив, может вызвать сползание отдельных его блоков с одновременным разрушением тоннеля.

Основными природными факторами, содействующими образованию оползней, являются большая крутизна склонов, наклон слоев в сторону склона, чередование водоносных слоев с водоупорными, а также наличие подземных вод, трещиноватость пород, обилие атмосферных осадков.

При проведении выработки в рыхлых породах горное давление будет особенно интенсивным, независимо от углов падения

ипростирания пластов.

2.5.ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Инженерно-геологическая ситуация не может быть полной без знания гидрогеологических условий: глубины залегания, режима и физико-химических свойств подземных вод. Производство подземных работ обычно связано с интенсивным притоком подземных вод, т.к. тоннельная выработка является искусственным дренажем. При расположении тоннеля ниже гидростатического горизонта в водопроницаемых или трещиноватых породах всегда следует ожидать поступления воды к тоннелю. Интенсивный приток воды требует усиленного водоотлива с устройством водоотводных лотков, водоприемных колодцев и применением мощных насосных установок, остановка работы которых грозит затоплением выработок. Опасны также прорывы крупных подземных источников.

Наиболее опасными при производстве тоннельных работ являются трещинно-жильные воды в зонах тектонических нарушений. Этот вид подземных вод образует вытянутые водоносные полости, к которым приурочены мощные подземные потоки. Они обладают гидродинамическим напором и в большинстве случаев являются одним из основных источников обводнения подземных выработок и причиной внезапных прорывов воды.

Не меньшую опасность представляют трещинно-карстовые воды, заполняющие трещины и карстовые пустоты, распростра-

33

ненные в толще гидронестойких пород – гипсов, доломитов, мергелей, известняков. Кроме механического воздействия подземные воды вызывают химическое растворение – выщелачивание таких пород, которое приводит к образованию карстовых полостей и часто сопровождается провалами, оседанием кровли и большим скоплением воды. В закарстованных породах возможно внезапное обрушение обделки тоннеля и провалы отдельных ее звеньев.

Интенсивное обводнение рыхлых и, в частности, глинистых пород вызывает огромное горное давление. Другим характерным свойством некоторых глин является набухание – пучение. Увлажнение таких глин сопровождается увеличением объема и развитием давления на обделку не только сверху вниз, но и снизу вверх. Это явление приводит к необратимым деформациям обделки тоннеля вплоть до полного ее разрушения.

Опасны для бетона обделки агрессивные воды с содержанием свободной углекислоты, ионов сульфатов и магния в количествах, превышающих нормы. Нормы агрессивности учитывают массивность конструкции, напор воды, водопроницаемость окружающих пород и тип цемента. В наиболее неблагоприятных условиях при напоре воды в породах с большими коэффициентами фильтрации находятся тонкостенные конструкции из бетона на обычном портландцементе.

Высокая влажность отрицательно влияет на условия эксплуатации тоннеля. Особенно вредно, когда вода пропитывает обделку в припортальных участках, которые подвержены обледенению. Образование наледей на своде, в стенах и проезжей части затрудняет безопасность движения и требует выполнения большого объема работ по скалыванию льда, при которых возможно разрушение обделки.

2.6. ТЕМПЕРАТУРА И ПОДЗЕМНЫЕ ГАЗЫ

Если тоннели строят на большой глубине от поверхности, то могут возникнуть трудности, связанные с высокими температурами внутри горного массива, которые нагревают воздух в тоннеле. Например, высокие температуры воздуха наблюдались при строительстве протяженных и глубоких тоннелей в Альпах: Сим-

34

плонского (длина 20 км, глубина заложения 2100 м) – до 55 С, Сен-Готардского (длина 15 км, глубина 1700 м) – до 35 С, Лечбергского (длина 14,6 км, глубина 1500 м) – до 34 С.

Такая высокая температура наряду с повышенной влажностью неблагоприятно сказывается на физическом состоянии и производительности труда рабочих. Необходимы специальные мероприятия по охлаждению (усиленная вентиляция, оросительные и холодильные установки). Кроме того, высокие температуры горных пород ухудшают условия работы тоннельной обделки, вызывая в ней дополнительные напряжения. Поэтому температурный прогноз имеет большое значение для строительства и эксплуатации тоннеля.

Ориентируются при этом на следующие обстоятельства. От земной поверхности до глубины 30 35 м в континентальных регионах (и 6 10 м в экваториальных) температура породы зависит от сезонных колебаний температуры воздуха на поверхности. На глубине 30 35 м (6 10 м) от поверхности залегает слой (пояс) с постоянными температурами горных пород, которые не зависят от климатических условий. Ниже пояса постоянных температур происходит равномерное нарастание температуры пород с глубиной. Показателями возрастания температуры служат геотермическая ступень – глубина, соответствующая повышению температуры на 1 С, и геотермический градиент – величина, на которую повышается температура при заглублении на 100 м. Эти показатели зависят от рельефа местности, геологического строения породного массива, циркуляции подземных вод, наличия водоемов и пр. Значения геотермической ступени изменяются в среднем от 30 40 м в равнинной местности до 50 70 м и более в горной местности.

Ориентировочно температуру породы на определенной глубине можно вычислить по формуле Tn Tср H h n, где

Тср – среднегодовая температура наружного воздуха, С; Н – глубина заложения тоннеля, м; h – глубина пояса постоянной температуры, м; п – геотермическая ступень, м/1 С.

При проходке тоннелей возможно пересечение различных горных пород, в том числе нефтеносных, битуминозных, соле-

35

носных, углесодержащих, а также вскрытие полостей, заполненных природными газами. При пересечении таких пород возможно поступление в атмосферу тоннеля природных газов, которые могут содержать ядовитые и взрывоопасные компоненты. Наиболее часто встречаются опасные газы: углекислый газ CO2, метан CH4 (взрыв при 6 16 ), сероводород H2S, азот N, аммиак NH3, двуокись серы SO2. В случае внезапного появления эти газы представляют серьезную опасность для людей, находящихся в тоннеле. Особенно опасны выбросы значительного объема газов при изменении горного давления. Поэтому при пересечении трассой тоннеля газоносных пород принимают особые меры по предотвращению возможных пожаров, взрывов и отравляющего действия газов на людей. Выработку переводят на газовый режим со значительным увеличением объема вентиляции и принятием мер против искрообразования (переход на электровзрывание, аккумуляторные электровозы, запрет электросварки и т.п.).

Г л а в а 3

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ РАБОТЫ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТОННЕЛЕЙ

3.1. ЗАДАЧИ И ВИДЫ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТОННЕЛЕЙ

Для строительства тоннеля необходимо выполнить геодезическое обоснование, которое должно обеспечить перенос проектного положения трассы тоннеля на местность, контроль за процессом проходки тоннеля в плане и профиле. Геодезические работы выполняют на всех стадиях строительства тоннеля в процессе инженерных изысканий, проектирования и горнопроходческих работ.

Виды геодезических работ:

а) топографическая съемка района расположения тоннеля; б) создание подземной геодезической основы;

36

в) ориентирование подземных выработок; г) построение подземной геодезической основы;

д) вынос осей в натуру, разбивка контуров и продольного профиля тоннеля; е) производство контрольных замеров выполненных работ.

3.2. СПОСОБЫ ТРАССИРОВАНИЯ И ТОПОГРАФИЧЕСКАЯ СЪЕМКА МЕСТНОСТИ

Проектирование трассы тоннеля в плане производится двумя способами – геометрическим и аналитическим.

Геометрический способ применяется преимущественно при благоприятных условиях рельефа в открытой и легкодоступной местности при небольшой длине тоннеля. Сущность его заключается в том, что ось тоннеля в период изысканий трассируется непосредственно по поверхности над тоннелем, на которой производятся разбивка и измерение линейных и угловых элементов трассы с одновременным закреплением точек входов в тоннель и направления линии на подходах соответствующими знаками. На кривых участках закрепляют точки начала и конца кривых и направления линии тангенсов. Створные точки располагаются через 400 800 м. Данные, полученные при измерениях, принимаются за основу для постепенного вынесения оси тоннеля в натуру по мере его строительства. Наземный створ переносится в подземную выработку с помощью теодолита.

Аналитический способ проектирования трассы применяется

влюбых условиях рельефа и при любой конфигурации оси тоннеля, он более универсален. Этот способ не требует предварительной разбивки трассы на поверхности. Трассу проектируют на крупномасштабном плане с последующим аналитическим определением всех геометрических ее элементов, используемых для выноса трассы в натуру. Способ базируется на создании сети опорных пунктов наземной геодезической основы, выполняемой

вединой с планом системе координат.

Топографическую съемку местности на ограниченных площадях изысканий проводят преимущественно наземными методами инженерной геодезии. На участках относительно свободной

37

территории применяют мензульную съемку местности с масштабом плана местности 1:10000 1:1000. На плотно застроенных территориях и в сложных гидрометеорологических условиях используют тахеометрическую съемку (масштаб плана местности 1:5000 1:1000). На участках со сложным рельефом применяют фототеодолитную съемку (масштаб 1:10000 1:1000), а также теодолитную и нивелирную съемки (масштаб 1:2000 1:1000). При строительстве протяженных тоннелей и на больших площадях изысканий применяют аэрофотосъемку (как обычную, так и из космоса), а также аэронивелирование с лазерным высотомером (масштабы 1:10000 1:5000 1:2000). Для рабочих чертежей планы составляют в масштабе 1:500 1:200.

В настоящее время топографические планы местности расположения тоннеля обрабатывают в виде пространственной цифровой модели рельефа местности для использования на ЭВМ. По этим моделям осуществляют системное автоматизированное проектирование (САПР) различных вариантов трассы тоннеля. Такое проектирование значительно сокращает сроки и стоимость про- ектно-изыскательских работ. Получив план местности, приступают к созданию наземной геодезической основы в районе строящегося тоннеля.

3.3. НАЗЕМНАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ ОСНОВА

Геодезической основой при строительстве тоннелей служит сеть триангуляции, опирающаяся на пункты государственной триангуляции 3 класса. Тоннельная триангуляция состоит из системы треугольников, близких к равносторонним и имеющих углы более 40 . Длины сторон треугольников назначают в зависимости от эквивалентной длины тоннеляLэкв(м),определяемойпоформулам:

при сооружении тоннеля только с порталов

Lэкв L,

при наличии промежуточных шахтных стволов или штолен

Lэкв L l ,

где L – длина тоннеля; l – среднее расстояние между смежными забоями.

38

На практике длины сторон треугольника определяют по табл. 3.1.

Триангуляционная сеть, как правило, должна опираться на самостоятельно измеренные базисы, входящие в систему треугольников. Стороны, служащие базисами, располагаются не реже, чем через 6 треугольников или через 3 четырехугольника (состоящих из двух треугольников). На рис. 3.1, 3.2, 3.3 показаны схемы триангуляции для перевального, петлевого и подводного тоннелей.

Пункты тоннельной триангуляции следует располагать не реже, чем через 3 км вдоль трассы тоннеля и не далее 2 км от нее.

Кроме триангуляции геодезическим обоснованием для сооружения тоннелей служит полигонометрия, особенно часто

Визирная

штольня

Триангуляция основного разряда Триангуляция низшего разряда

39

Способы ориентирования зависят от вида выработок, соединяющих тоннель с поверхностью. При строительстве тоннелей открытым и опускным способами, а также при проходке коротких тоннелей закрытым способом (со стороны порталов на прямых участках в плане) передачу направлений и высотных отметок производят непосредственным продолжением наземных хо-

дов (рис. 3.4).

Если тоннель сооружают закрытым способом через шахтные стволы, то ориентировку ведут либо через одну вертикальную шахту по отвесам, либо через две вертикальные шахты. В этом случае чаще всего применяют способ соединительных треугольников (рис. 3.5, б).

На поверхности около ствола закладывают точку А, её координаты включают в ход наземной полигонометрии. В ствол опускают два отвеса О1 и О2. В треугольнике АВС измеряют углы и(между направлениями на один из отвесов и на пункт полигонометрии), а также стороны а, в, с. Решая треугольник, находят угол . По известным углам , , определяют дирекционный угол линии отвесов ВС, а по длинам сторон треугольника – координаты самих отвесов.

В подземной выработке закладывают точку А1, в треугольнике А1В1С1 измеряют углы 1 и 1 (между направлениями на один из отвесов и на точку подземной полигонометрии М), а также длины сторон а1, в1, с1. Из решения треугольника А1В1С1

Г

Д

В

Е

Б

Рис. 3.4. Ориентировка выработки провешиванием

41