630

ной жесткостью, количеством водородных ионов, ионов сульфатов, ионов магния и свободной кислоты.

Временная жесткость воды характеризуется наличием в ней бикарбонатов (двууглекислых солей) и исчисляется в условных градусах. Один градус жесткости соответствует содержанию в 1 л воды двууглекислых солей в количестве, эквивалентном 10 мг окиси кальция СаО. Воду, имеющую временную жесткость менее 6°, называют мягкой, в пределах 6...…15° – средней жесткости, 15...…24° – жесткой, при больших значениях – весьма жесткой. Чем больше временная жесткость воды, тем она более агрессивна к цементам. Вода с временной жесткостью менее 6° агрессивна по отношению к портландцементам, при 1,5° – к пуццолановым цементам.

Количество водородных ионов оценивают так называемым водородным показателем pH, выраженным в условных единицах. Вода считается агрессивной, если водородный показатель не превосходит 7 ед. при временной жесткости 24° и 6,7 ед. при большей жесткости. При содержании водородных ионов в большем количестве вода не агрессивна по отношению к любым цементам.

Вода с присутствием ионов сульфатов SO'4 менее 250 мг/л

не агрессивна по отношению к портландцементам, а менее 1000 мг/л – даже к пуццолановым цементам. Агрессивность сульфатных вод устанавливают в зависимости от количества в них ионов хлоридов Cl'. Вода агрессивна при следующих соотношениях Cl' и SO'4, мг/л:

Соли магния оказывают вредное влияние на портландцемент только при концентрации ионов магния Mg' более 5000 мг/л, а на пуццолановые – в зависимости от соотношений SO'4 и Mg', мг/л:

По наличию свободной углекислоты СО2 вода является агрес-

сивной, если фактическое содержание СО2 по данным химичес-

21

кого анализа превосходит величину, при которой реакция углекислоты с цементом остается нейтральной. Предельную концентрацию свободной углекислоты в зависимости от содержа-

где a, b – коэффициенты, зависящие от наличия в воде (SO'4 + Cl'),

мг/л (табл. 1.5).

Например, в результате химического анализа воды, взятой из системы водоотвода тоннеля, получены следующие данные:

временная жесткость 11°; SO'4 – 43,6 мг/л; Cl' – 62,0 мг/л; CO2

– 70,1 мг/л; (SO'4 + Cl') = 43,0 + 62,0 = 105,0 мг/л. По табл. 1.5

для этих данных находим: a = 0,24; b = 28, затем по формуле (1.5) определяем пороговое значение концентрации CO2 = a (Ca') + + b = 0,24•101,0 + 29 = 53,24 мг/л. В рассматриваемом примере количество CO2 достигает 70,1 мг/л, что означает агрессивность воды по отношению к цементам. Влияние различных солей и веществ на коррозию металла и железобетона показано в табл. 1.6.

22

Таблица 1.6

Влияние растворимых солей в подземных водах на коррозию металла и железобетона

23

24

Минимальные физиолого-гигиенические нормы обеспечения питьевой водой при ее дефиците, вызванном заражением водоисточников, в соответствии с ГОСТ 22.3.006-87 составляют 30 л/сут на здорового человека, 75 л/сут на одного пораженного, 45 л/сут на обмывку одного человека.

1.3.3. Влияние подземных газов

При проходке тоннелей в газоносных грунтовых массивах без специальной газоизоляции или системы газоотвода в выработку проникают вредные газы. Скопление газов в грунтовом массиве может произойти при наличии таких геологических структур, как ядра антиклинальных складок, газонепроницаемые слои в кровле выработки, пористые (пески, песчаники) или трещиноватые породы (известняки, доломиты). Сильная обводненность массива обычно ослабляет явления газоносности и внезапных выбросов. Наиболее часто в подземные выработки поступают углекислый (СО2), угарный (СО) и сернистый (SО2) газы, метан (CH4), сероводород (H2S), радон. Загазованность выработок вредными газами может произойти при длительной остановке вентиляционной установки. Окись углерода, сернистый газ, сероводород могут поступать в действующие тоннельные выработки из очага пожара.

Углекислый газ (СО2) в полтора раза тяжелее воздуха ( = 1,52 г/ см3), поэтому скапливается в нижней части выработки. Этот газ не ядовит, но при содержании в атмосфере окиси углерода (СО) 0,2 мл/л через 2…...3 ч у человека появляется сильная головная боль, а при концентрации 1,6 мл/л он теряет сознание с угрозой смерти через 30 мин, поэтому его концентрация не должна превышать 0,5 % объема выработки. Появление углекислого газа

25

наиболее вероятно в вулканических районах, вблизи угольных залежей, при наличии сбросовых трещин и других геологических нарушений.

Метан (рудничный газ) не имеет цвета и запаха, в 2 раза легче воздуха ( = 0,55 г/см3) и скапливается в верхней части выработки. При концентрации от 5,5 до 15 % метан с воздухом образует гремучую смесь и взрывается при воспламенении. Смесь, содержащая до 5 % метана, не взрывоопасна, но может гореть при наличии источника высокой температуры и кислорода. При возгорании метановоздушной смеси может быть два типа пламени: первичное, распространяющееся с большой скоростью, при которой весь кислород расходуется на сжигание газа, и вторичное, возникающее вследствие дожигания оставшегося газа кислородом воздуха, притекающим извне, движущееся в обратном направлении. При концентрации метана более 1 % выработку переводят на газовый режим с увеличением объема вентиляции и принятием мер против искрообразования. Смесь, содержащая более 15 % метана, взрывобезопасна и не поддерживает горения, с притоком кислорода извне горит спокойным пламенем. Встречается в районах залегания угля, нефтеносных и битумных отложениях.

Сероводород тяжелее воздуха ( = 1,19 г/см3), ядовит, обладает запахом тухлых яиц, вследствие чего легко обнаруживается. Разлагает известковые растворы и бетон. При содержании в воздухе более 0,1 % люди теряют сознание и зрение; при концентрации 6 % образует с воздухом взрывоопасную смесь. Проникает в выработки с подземными водами и заполняет все пространство.

Азот выделяется в небольших количествах в эффузивных грунтах и не представляет серьезной опасности для человека.

Основные характеристики вредных и опасных газов приведены в табл. 1.7.

При техногенных авариях на промышленных предприятиях и газопроводах в подземные выработки могут проникать другие вредные и ядовитые газы (например, аммиак, хлор). Любую вероятность проникновения в выработки вредных, ядовитых или взрывоопасных газов следует учитывать при разработке систем жизнеобеспечения. Для прогнозирования газодинамических явлений рекомендуется бурение разведочных скважин в забое выработки. В газоносных грунтах участки, на которых происходит деление керна или выход керна составляет менее

50 %, относят к выбросоопасным.

26

1.3.4. Геотермические условия

Температурный режим во многом определяет самочувствие проходчиков и производительность труда, поэтому является важным фактором безопасности. Температура тоннельной атмосферы определяется климатическими условиями района, глубиной заложения тоннельной выработки, теплопроводностью грунтов, циркуляцией подземных вод, связью с земной поверхностью, вентиляционным режимом и пр. В грунтовом массиве сезонные колебания температуры распространяются на сравнительно небольшую глубину (для средних широт – на 30…...35 м). По мере заглубления ниже уровня постоянной температуры происходит ее нарастание. Для оценки интенсивности нарастания температуры используют две характеристики: геотермическую ступень и геотермический градиент. Геотермическая ступень (глубина, соответствующая повышению температуры на 1 ° С) приближенно равна: под равнинами 33 м, под долинами 20...33 м, под горными хребтами 33...…70 (в среднем 45) м. Геотермический градиент представляет собой удельное изменение температуры с увеличением глубины. Величины геотермических ступеней и градиентов для некоторых районов России представлены в табл. 1.8.

Таблица 1.8

Значения геотермической ступени и геотермического градиента для территорий России

Температуру грунта на заданной глубине можно определить

слоя постоянной температуры, в первом приближении численно равная среднегодовой для данной местности,° С; a – геотермическая ступень, м/° С; h0 — глубина слоя постоянной температуры, м.

28

Температура в подземной выработке tн может быть приближенно определена путем последовательного перехода от средней годовой температуры долины t0 к температуре воздуха, а затем к температуре почвы на высоте перевала H0 и, наконец, на заданной глубине H :

где 200 – значение аэротермической ступени, соответствующей изменению температуры воздуха на 1 °С, м; — поправка на переход от температуры воздуха к температуре почвы, зависящая от высоты перевала над уровнем моря (при высоте над уровнем моря от 0 до 2,5 км изменяется от 0,8 до 3 °С).

Температура в подземных выработках более 27 °С считается высокой. В сухой выработке возможна работа при температуре до +50 °С, во влажной – при температуре не выше +40 °С при условии усиленной вентиляции, применения кислородных дыхательных аппаратов и ограничения продолжительности непрерывной работы. Для работы в таких условиях допускаются только специально подготовленные работники после медицинского освидетельствования. При температуре воздуха в выработках выше названных пределов ведение любых работ запрещается, за исключением работ по спасению людей или если место работы находится в непосредственной близости от выработки с нормальной температурой. Температура подземных вод в тоннельных выработках в большинстве случаев равна температуре окружающего массива (+3...…12 °С, но, как правило, +6...…9 °С) и по временам года изменяется несущественно. Но она может быть как пониженной (например, при оттаивании мерзлых массивов), так и повышенной (от термальных источников). Это надо учитывать как один из факторов возникновения экстремальной ситуации прорыва водогрунтовых масс в выработку.

Инженерно-геологические и гидрогеологические условия зон тектонических нарушений и карстов. Строительство тоннелей в зонах тектонических нарушений (разломах и размывах), карстов и при вскрытии крупных водонаполненных линз представляет [21] исключительную опасность для людей и сооружений в связи с возрастанием вероятности выбросов и обрушения грунта, прорыва водогрунтовых масс, затопления выработок. Разломы и размывы характеризуются сложением из крайне слабых, обычно обводненных грунтов (мелкозернистые пески, пылеватые супеси плывунного характера, пылеватые суглинки, продукты разру-

29

шенных скальных грунтов и др.). Большую опасность для подземных сооружений представляют обводненные карстовые полости, которые могут явиться причиной прорыва воды. Во избежание затопления тоннеля следует применять дренаж, тампонаж карстовых полостей; известны случаи изменения трассы тоннеля.

При проходке выработок изменяется режим поверхностных и подземных вод, что может повысить скорость растворения и вызвать разжижение грунтов, вынос заполнителя и увеличение объема карстовых полостей. Процесс карстообразования замедляется, если карстующиеся грунты прикрыты слабопроницаемыми глинистыми отложениями. Опасность нарушения устойчивости тоннельной выработки еще более возрастает при наличии трещиноватых зон в карстующихся грунтах. Активизация карстообразования способствует притоку подземных вод. Опасность внезапных прорывов воды, скопившейся в карстовых полостях, следует учитывать при расположении тоннеля в известняках, гипсоносных и засоленных грунтах. При применении водоотлива при проходке тоннелей, откачке воды из котлованов, а также искусственном водопонижении образуются депрессионные поверхности («воронки»), изменяющие гидрогеологический режим. Происходит увеличение градиента напора и скоростей фильтрации, что приводит к развитию суффозионных процессов с выносом заполнителя из карстовых пустот, возникает опасность потери устойчивости кровли карстовых полостей, ее внезапного обрушения и образования провалов, глубина и сечение которых могут достигать десятков метров. Протяженные тоннельные сооружения действуют как дамбы на пути грунтовых вод, повышая их уровень, создавая сосредоточенную фильтрацию вод над сооружением и под ним и активизируя развитие карста, что может привести к обрушению и прорыву воды в тоннель. При расположении тоннеля в полускальных грунтах следует систематически отслеживать и оценивать проявления горного давления, набухания, пучения, деформаций крепи и при необходимости предусматривать специальные виды крепи и технологии проходки. Всесторонний учет инженерногеологических, гидрогеологических, криогенных и других условий необходим при проходке выработок в многолетнемерзлых грунтовых массивах.

Таким образом, в процессе проходческих работ необходимо вести систематические наблюдения за соответствием фактических инженерно-геологических условий, характеризующих со-

30