630

стояние забоя, проектным данным в части устойчивости забоя, изменения мощности и состава напластований грунтов, их трещиноватости, водопритока и при их отклонениях незамедлительно ставить в известность проектную организацию и заказчика.

1.3.5. Агрессивные факторы и воздействия

Различают следующие виды агрессивных воздействий на тоннельные сооружения [22]: биологическую и химическую агрессии, агрессию тяжелых металлов, вынос в тоннели нефтепродуктов и промышленных стоков.

Опасность биологической агрессии оценивают наличием тио-

новых бактерий, содержанием закисного железа в форме пирита и марказита, общим бактериальным загрязнением грунтовых вод (синегнойная палочка, вызывающая кишечные заболевания; аспергиллы, вызывающие респираторные заболевания; токсичные, канцерогенные и др. вредные вещества). К числу наиболее распространенных бактерий, активизирующих коррозию бетона, железобетона и чугуна, относят тионовые бактерии, сульфатредуцирующие, нитрифицирующие бактерии, а также грибы.

Опасность химической агрессии грунтов и грунтовых вод оце-

нивают солесодержанием грунтов (хлориды до 30 г/л и сульфиты до 2,5 г/л); наличием солончаковых грунтов, вызывающих наиболее опасный для чугунной обделки вид коррозии – спенгиоз; минерализацией подземных вод (наличие в воде сульфатионов до 3000 мг/л и хлорионов до 160 мг/л); загрязнением подземных вод химическими веществами (хлор, сульфаты, нитраты, аммонит).

Опасность атмосферной химической агрессии оценивают нали-

чием сероводорода, содержанием окиси углерода (СО), высокой влажностью и повышенной температурой воздуха в тоннеле.

Опасность агрессии тяжелых металлов определяют по ра-

диоактивности грунтов [23], оцениваемой мощностью экспозиционной дозы, А/кг, концентрацией в грунтовых водах, мг/л: 6-ва- лентного хрома (ПДК = 0,1), марганца (ПДК = 0,1), меди

(ПДК = 2,0), цианидов (ПДК = 0,05), ртути (ПДК = 0,005),

цинка (ПДК = 5,0). Радиационная опасность в подземных выработках, как правило, обусловлена естественными радионуклидами, содержащимися в грунтовом массиве. При радиоактивном распаде радионуклидов (табл. 1.9) в воздух горных выработок поступают радиоактивные газы радон и торон. При даль-

31

нейшем распаде эти газы образуют аэрозоли короткоживущих продуктов распада, которые определяют дозу облучения людей.

Радон образуется при распаде радия-226 в урановом ряду и распадается в дальнейшем на изотопы полония, висмута, свинца. Торон образуется при распаде радия-224 в ториевом ряду и, испуская альфа-частицы, распадается на изотопы полония, висмута и свинца. Дозу облучения увеличивают также долгоживущие радионуклиды рядов урана и тория, присутствующие в воздухе в виде грунтовой пыли. Перенос и рассеивание радона и торона в воздухе зависит от вертикального градиента температур, турбулентности и направления движения воздушных потоков. Радиационная обстановка в подземных выработках зависит, главным образом, от эффективности проветривания и интенсивности выделения радона и торона. В табл. 1.10 приведены характеристики возможных последствий облучения человека.

Для облучаемых лиц установлены три класса нормативов: 1)

эквивалентная доза излучения; 2) допустимые уровни монофакторного (одного радионуклида или одного вида излучения) воздействия, являющиеся производными от пределов годового поступления, допустимых среднегодовых величин объемной активности (ДОА) и удельной активности (ДУА); 3) контрольные уровни и дозы, уста-

навливаемые администрацией предприятия по согласованию с органами санэпиднадзора. Нормами радиационной безопасности установлены следующие категории облучаемых лиц: персонал или категория А (профессиональные работники), которые условно делятся на лиц, связанных с техногенными источниками (группа А), и лиц, находящихся по условиям работы в сфере их воздействия (группа Б). К категории «население» относят людей (включая лиц из персонала), находящихся вне сферы и условий производственной деятельности. Численные значения контрольных уровней должны учитывать уровень радиационной безопасности на предприятии и обеспечить условия, при кото-

32

рых радиационное воздействие будет меньше допустимого. Основные эквивалентные дозы излучения для персонала и населения приведены в табл.1.11.

Примечание. Все нормативные значения для персонала приводятся только для группы А (лиц, работающих с техногенными источниками). Дозы облучения и все остальные допустимые производные уровни для персонала группы Б (лиц, находящихся по условиям работы в сфере воздействия техногенных источников) не должны превышать ј1/4 значений

для персонала группы А.

Численное значение среднегодовой мощности дозы гаммаизлучения на рабочем месте для персонала категории А (груп-

33

па А) при монофакторном воздействии составляет 15,2 мкЗв/ч, для персонала или лиц категории А (группа Б) – 3,8 мкЗв/ч. При подсчете общего облучения (внешнего и внутреннего от поступления в организм радионуклидов) берут сумму произведений каждого радионуклида за год на его дозовый коэффициент.

Годовая эквивалентная доза облучения равна сумме эквивален-

тной дозы внешнего облучения, накопленной за календарный год, и ожидаемой эквивалентной дозы внутреннего облучения, обусловленной поступлением в организм радионуклидов за этот же период. Годовое поступление радионуклидов через органы дыхания и среднегодовая объемная активность их во вдыхаемом персоналом воздухе не должны превышать числовых значений предела годового поступления и допустимой среднегодовой объемной активности (ДОА). Для персонала категории А (группа А) численные значения предельного годового поступления радионуклидов (ПГП) и ДОА дочерних продуктов радона-222 и торона (радона-220) составляют: ПГП дочерних продуктов радона – 3,1 МБк; ПГП дочерних продуктов торона – 0,68 МБк; ДОА или ДК дочерних продуктов радона – 1240 Бк/м3; ДОА или ДК дочерних продуктов торона – 270 Бк/м3. Допустимый уровень мощности эквивалентной дозы (МЭД) внешнего гамма-излуче- ния на открытых территориях составляет 0,3 мкЗв/ч. При обнаружении на участках площадей МЭД внешнего гамма-излуче- ния более 0,3 мкЗв/ч («радиационных аномалий») определяется характер и радионуклидный состав загрязнений, после чего проводятся мероприятия по дезактивации в соответствии с требованиями, представленными в табл. 1.12.

Расчет допустимых доз облучения производят специализированные организации. На его основании дается оценка радиационной обстановки и заключение о степени радиационной опасности. Значительную опасность для человека и окружающей среды представляют тяжелые металлы: свинец, кадмий, мышьяк, хром, никель, олово, цинк, сурьма, ртуть и др.

Ртуть – жидкий серебристо-белый металл плотностью 13,52 г/см2. Плавится при температуре –39 °С, кипит при +357 °С. Она очень токсична для любых форм жизни. Отравление ртутью наиболее вероятно в помещении с недостаточным проветриванием. Первые признаки отравления проявляются через 8…...24 ч и выражаются в общей слабости, головной боли, болях при глотании, повышении температуры. Позже наблюдается болезненность десен, желудочные расстройства, иногда – воспаление легких.

34

Пары ртути могут оседать в швах кладки и стыках конструкций, адсорбироваться на оштукатуренных и бетонных поверхностях.

Таблица 1.12

Мероприятия по удалению загрязненной почвы в зависимости от уровня мощности эквивалентной дозы

0,3 < МЭД < 1,0 Загрязненная почва может быть использована для засыпки ям, котлованов и т.п. с последующей рекультивацией. Не допускается использование загрязненных почв для устройства подсыпок под зданиями и вокруг фундаментов

1,0 < МЭД < 3,0 Загрязненная почва должна быть вывезена на специально выделенный участок на полигоне промышленных и бытовых отходов с последующей рекультивацией этого участка

МЭД > 3,0 Загрязненная почва должна быть вывезена на специализированный пункт захоронения радиоактивных отходов с соблюдением правил обращения с радиоактивными отходами

Опасность выноса в тоннели нефтепродуктов и промышленных стоков оценивают: расположением в районе строительства промышленных и нефтеперерабатывающих предприятий, нефтепроводов, складов ГСМ; повышением концентрации паров нефтепродуктов в подземных выработках сверх ПДК; фильтрацией грунтовых вод с примесью нефтепродуктов и промышленных стоков в тоннели с появлением на поверхности воды в зумпфах пленки нефтепродуктов; появлением запаха нефтепродуктов, аммиака и других вредных веществ в выработках, что ведет к отравлению персонала, коррозионным повреждениям обделок. Характеристики нефтепродуктов представлены в табл. 1.13.

35

Таблица 1.13

Характеристики нефтепродуктов

36

1.3.6. Особые факторы и воздействия

Особые факторы и воздействия могут проявиться при природ-

ных катаклизмах (землетрясениях, наводнениях, обвалах, селях), военных действиях или террористических актах. Из особых природных факторов наиболее значительными являются сейсмические нагрузки [24]. Для характеристики землетрясений применяют следующие термины и определения.

Интенсивность землетрясения – мера величины сотрясения грунта, определяется степенью разрушения зданий и сооружений, характером изменения земной поверхности. В России и ряде европейских стран используют 12-балльную международную шкалу MKS-1964 с условным разделением землетрясений на слабые (1...…4 балла), сильные (5...…7 баллов) и сильнейшие или разрушительные (8 баллов и более).

Магнитуда – мера полной энергии сейсмических волн. Шкала оценки энергии очага (или интенсивности в очаге) землетрясения (шкала Рихтера) определяет магнитуду как число, пропорциональное десятичному логарифму амплитуды наиболее сильной волны (в микрометрах), записанной сейсмографом на расстоянии 100 км от эпицентра землетрясения. Приближенно можно считать магнитуду отношением амплитуды к периоду колебаний. Магнитуда по шкале Рихтера может изменяться от 0 до 8,8. Землетрясения, магнитуды которых равны 5–6 ед., считаются сильными, более 6 — катастрофическими.

Тоннели в меньшей степени, чем наземные сооружения, подвержены разрушительным воздействиям землетрясений, поскольку окружающий грунтовый массив препятствует перемещениям обделки. Но воздействия сильнейших землетрясений (8 и более баллов по шкале MКS-64) могут вызвать разрушения тоннельных конструкций с обрушением грунтового массива. Постройка тоннелей в сейсмически активных районах часто сопровождается значительными осложнениями. Характер действия землетрясений на тоннельные сооружения зависит от интенсивности и магнитуды землетрясения, глубины заложения, расположения и удаления тоннеля от эпицентра землетрясения, характеристик окружающих грунтов, наличия зон тектонических нарушений, прочности и жесткости обделки и др. Воздействие землетрясений на тоннельные конструкции при одинаковой балльности может существенно отличаться, поскольку в большой степени оно зависит от природных факторов и конструктивных особенностей сооружений.

37

В качестве эталонного грунта обычно принимают гранит. Приращение сейсмической балльности по сравнению с гранитами в гнейсах, сланцах и плотных известняках составляет 0,2...…0,4, в плотных песчаниках 0,5…...0,8, в слабых известняках, песчаниках и мергелях 0,7…...1,1, в гравийно-галечниковых грун-

тах 1,0…...1,5, в песках 1,2...…1,8, в глинах 1,2...…1,6. Наибольшие остаточные деформации тоннельных конструкций возникают в местах смены литологического состава грунтов, в местах перепада рельефа, на участках мелкого заложения, расположенных вдоль горных склонов.

Степень устойчивости обделки при прочих равных условиях пропорциональна крепости грунта. Если жесткость обделки выше жесткости окружающего грунтового массива, концентрации напряжений в грунте могут привести к разрушению конструкции. Обделки, обладающие повышенной гибкостью, лучше приспосабливаются к смещениям и деформациям грунта и, как правило, не получают существенных повреждений даже при сильных землетрясениях. При расположении тоннеля в антиклинальных или синклинальных областях, когда напластование грунтов ориентировано в вертикальном направлении, тоннель может находиться на больших глубинах (базисный вариант) или трассироваться по склонам (мысовой вариант). В таких случаях в зонах, где отсутствуют тектонические нарушения, взаимодействие тоннеля с грунтовым массивом происходит в условиях совместимости деформаций и перемещений в упругой стадии. Однако по трассе тоннеля всегда встречаются зоны ослабленных грунтов.

Тектонические разрывные нарушения, надвиги, сбросы и пр., которые могут иметь различные размеры и параметры, нарушают монолитность скальных грунтов и обусловливают их механическую неоднородность, при этом модули деформации на сжатие и сдвиг снижаются во много раз. Для гранитов средней трещиноватости можно принимать модуль деформации Е0 = (1..2)•104 МПа, для брекчии из этого гранита с милонитовым заполнением Е0 = (1..2)•103 МПа в сухом состоянии и

(1..2)•102 МПа при влажности 5...…10 %.

Влияние землетрясений на грунтовые массивы можно разделить на две группы: сотрясения и сдвиги. Сотрясения происходят в результате сейсмических колебаний массива и смещений подстилающих слоев грунта. Грунтовый массив, окружающий сооружение, не теряет сплошности и не претерпевает больших изменений. Сдвиги характеризуются значительными смещения-

38

ми грунта, снижением его устойчивости. Проявления сдвиговых смещений непредсказуемы, их предупреждение не может быть гарантировано конструктивным усилением обделок. Наиболее неблагоприятные условия создаются при наличии зон тектонических нарушений при жестких тоннельных обделках, небольшой глубине заложения и значительных колебаниях земной коры. В наибольшей степени подвержены повреждениям портальные участки тоннелей. Направленные вдоль продольной оси тоннеля сейсмические силы вызывают резкое возрастание напряжений в конструкциях входных участков тоннеля, что является одной из причин их разрушений при землетрясениях. С увеличением глубины интенсивность сотрясательного сейсмического воздействия уменьшается, а сопротивляемость грунтового массива повышается, что способствует предотвращению разрушения обделки.

Наиболее характерными повреждениями обделок при землетрясениях являются: деформации контура, вывалы грунта или частичное обрушение массива, иногда – изменение трассы (связано с пересечением тоннелем сбросовых зон и смещениями грунтового массива). Наибольшие остаточные деформации обделок при землетрясениях возникают на участках, расположенных вдоль склонов, в местах смены литографического состава грунтов и резкого изменения рельефа. Степень устойчивости обделок при прочих равных условиях пропорциональна крепости грунтов. Повреждения обделки на участках мелкого заложения являются наибольшими. Случаи обрушения обделок лишь на отдельных участках указывают на то, что величины воздействий землетрясений в значительной степени связаны с местными нарушениями в грунтовом массиве, например, с местным обводнением.

К сейсмоопасным районам с интенсивностью землетрясений 6 и более баллов относятся Восточная Сибирь, Якутия, Алтай, Кавказ, Камчатка, Приморский край, Чукотка, Сахалин, Курильские острова. Оползни наиболее часты на Северном Кавказе и в Ставропольском крае. Селеопасные зоны находятся на Северном Кавказе, в Саяно-Байкальской области, Приморье, на Кольском полуострове и Урале.

39

1.4. Комплексная оценка инженерно-геологических условий строительства тоннелей

Степень сложности инженерно-геологических и гидрогеологических условий при строительстве тоннельных сооружений определяется [17-19, 25-32] совокупностью структурно-текто- нических параметров, состава, физико-механических характеристик и обводненности грунтов, проявлений природных процессов (табл. 1.14).

Таблица 1.14

Классификация инженерно-геологических условий строительства тоннелей по О.В. Куцнашвили

Примечание. Кф – коэффициент фильтрации, м/сут; q – удельный водоприток, м3/ч.

40