Геомеханические аспекты при научном сопровождении строительства подземных сооружений в сложных инженерно-геологических условиях

© H.H. Абрамов, Ю.А. Епимахов, А.Ю. Педчик, 2012

УЛК 622.02

H.H. Абрамов, Ю.А. Епимахов, А.Ю. Педчик

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИ НАУЧНОМ СОПРОВОЖДЕНИИ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ В СЛОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Накопленный опыт отечественного и зарубежного строительства подземных сооружений сегодня показывает, что эффективность решения задач по оценке качества проходки сооружений тесно связана с использованием результатов геомеханического мониторинга состояния массива. В статье предложено, используя режимный контроль деформаций на структурных нарушениях массива, секущих трассу тоннеля, статистический анализ величин законтурных переборов породы в сечениях тоннеля относительно проектного контура на каждой «уходке» и, определяя параметры нарушенной зоны приконтурного массива оценивать устойчивость обнажений по мере продвижения забоя и качество буро-взрывной отбойки по трех уровневой шкале.

Ключевые слова: подземное сооружение, перебор породы, деформация, нарушенная зона, приконтурный массив.

В результате многолетнего сотрудничества Горного института КНЦ РАН с предприятием ФГУП «Управление строительства №30», накоплен значительный опыт, как в методологическом, так и в практическом плане, решения задач геомеханического контроля за состоянием массива при строительстве подземных сооружений в различных горногеологических условиях.

При строительстве подземных сооружений геомониторинг представляет собой комплекс геомеханических методов контроля состояния массива. Выбор же конкретных методов зависит от горно-геологическтх условий строительства подземных сооружений. Так, в настоящее время, при строительстве железнодорожного тоннеля на Хибинском апатит-нефелиновом месторождении, трасса тоннеля в соответствии с действующей «Инструкцией по безопасному

ведению горных работ... »была отнесена по условиям проходки к «склонной» к горным ударам. Кроме того, как показали результаты инженерно-геологических изысканий, на отдельных участках по трассе тоннеля, начиная от пикетов, где глубины заложения от свободной поверхности достигают 400-450 м, и трасса тоннеля пересекает зоны окисленных пород, разломы и дайки, зафиксированы величины скоростей продольных сейсмических волн (Ур=6.0-7.0 км/с), превышающие аналогичные характеристики для образцов пород. Кроме того, породы, прилегающие к участкам структурных нарушений, характеризуются высокими значениями динамического модуля упругости (Ед= (7.5-9.68)  104 МПа). Данные факты являются признаками существования локальных областей концентрации напряжений в нетронутом массиве, а по мере приближения забоя тоннеля

к участкам структурных нарушении и даек, а также к границам очистных работ, величины напряжении могут превысить установленный порог 0.5ссж. В подобных ситуациях появление более существенных признаков проявления горного давления в динамических формах (интенсивное зако-лообразование, дискование керна разведочноИ скважины, шелушение и стреляние пород на обнажении выработки) является весьма вероятным.

Таким образом, исходя из горногеологических условии проходки, в качестве методов геомеханического контроля скального массива, был принят режимныи высокоточныи де-формационныи контроль по структурным нарушениям массива, секущим трассу тоннеля, статистическии анализ величин законтурных переборов породы в сечениях тоннеля относительно проектного контура на каж-доИ «уходке» и оценка параметры нарушенной зоны приконтурного массива. Контроль данных показателей позволяет оценивать устоичивость обнажении по мере продвижения забоя и качество буро-взрывнои отбоики.

Методика измерении деформации с помощью дистометра ЛБЕТИ (Швейцария), являющегося механическим точным прибором для обнаружения различии в расстояниях с помощью ин-варноИ проволоки, хорошо известна.

Точность шкалы измерения длин составляет 10-3 мм. Точность измерении с проволокои длинои до 20 м составляет ± (2  10-2) мм.

Методика измерении включает:

- установку на выделенных участках массива минимум двух контрольных реперов, расстояние между которыми определяет базу измерения деформации;

- крепление на установленных в массиве реперах дистометра и инвар-нои проволоки;

- измерение расстояния между реперами (выполняется минимум 3-5 раз с демонтажем/монтажом дистометра на реперах для оценки среднего и погрешности измерении);

- выполнение повторных замеров контролируемых длин, согласно регламенту мониторинга, расчет и оценка абсолютных и относительных фактических невязок (деформации) измеряемых длин по выражениям:

АЦ =\ЬМ - Ь1\>8Ц1 ;

£и = -

АЦ

и

где ДЦ - расчетная невязка измеренных показании индикатора прибора 1-того (Ц) и (1+1, измерении, мм; 8Ц - абсолютная погрешность отсчета показании прибора, (8Ц =0.05 мм); ей - относительное изменение отсчета показании прибора при мониторинге.

Как видно из выражения (2) значимым считается такое изменение длин, которое будет превышать погрешность измерении.

Деформационные наблюдения выполнялись по реперам, размещенным в стенках вдоль трассы тоннеля на четырех участках, вмещающих зоны окисленных пород, участки тектонических разломов и зоны повышеннои трещиноватости. Первыи участок -реперы 1-5, размещены в припор-тальнои части тоннеля. Второи участок - реперы 6-8 по берегам зоны трещиноватои зоны, и, наиболее неоднородная и протяженная в геологическом отношении зона третьего и четвертого участков реперы 9-14.

На рис. 1 приведены результаты измерении относительных деформации за 9 месяцев наблюдении.

Как видно из приведенных данных, за время наблюдении знакоперемен-ныи характер изменении деформации зафиксирован в припортальнои области тоннеля, реперы 1-5, где в

Рис. 1. Результаты контроля деформаций на измерительных полигонах Юкспор-ского тоннеля

большей мере сказывается преобладающее влияние на массив естественных природных процессов планетарного уровня, также имеющих знакопеременный характер. По мере роста глубины заложения от свободной поверхности при продвижении забоя, на деформационные процессы в большей мере начинают влиять геомеханические факторы при взаимодействии выработки и естественного поля напряжений. На неоднородно-стях массива происходит постепенная релаксация напряжений, проявляющаяся в появлении сжимающих деформаций, что и фиксируется на измерительных реперах. Из рис. 1 прослеживается также, что в период с апреля по июнь фиксировались отрицательные деформации сжатия на полигонах 3, 4, в точках 9-11, 10-11, 10-12, 12-13, 13-14. Эти точки размещены в сложной геолого-структурной области массива, вмещающей и мощную зону окисленных пород и зоны повышенно трещиноватых пород, секущих трассу тоннеля. Таким образом, сам факт проявления сжимающих деформаций свидетельствует о наличии напряжений в мас-

сиве и необходимости с особым вниманием относиться к рекомендациям по проходке тоннеля в условиях угрожаемых по горным ударам.

Величину напряжений можно оценить по значениям фиксируемых деформаций. Оценивая порядок полученных относительных деформаций в стенках тоннеля в точках 9-11, 10-11, 10-12, 12-13, 13-14, достигающих е =(-2.554)*10-4 ед. отн. деф., что соответствует абсолютной деформации 0.255 мм/м, и, исходя из средних для ийолит-уртитов значений модулей упругости пород в пределах Е=(7.5-9.68)*104 МПа, доля реализуемых на нарушении действующих напряжений составляет

сх =Е*е = (19.1-24.7) МПа. Тогда, принимая для ийолит-уртитов ссж=184 МПа, получаем ^ ¡осж = 24.7/184 = 0.13.

Полученная величина данного соотношения позволила отнести этот участок к неопасному по проявлению горного давления в динамических формах. Как показал следующий по дате цикл наблюдений, рис. 1, рост деформаций на данном участке больше не фиксировался.

Таблица 1

Тип выработки Переборы, мм, при коэффициенте крепости £

1-4 4-12 12-20

Тоннели 100 150 200

Стволы и штольни 75 75 100

Суммарная деформация массива при этом, с учетом величины периметра тоннеля, равного 32 м, оценивается как 32*0.255=8.16 мм. Тогда, исходя из рекомендаций СНиП [1], категорируюшего состояние подземных выработок по устойчивости, исходя из суммарных деформаций массива, участок Юкспорского тоннеля отнесен к вполне устойчивому (I категория устойчивости).

Еше одной поставленной задачей геомеханического мониторинга состояния массива является оценка качества буро-взрывных работ в процессе проходки тоннеля. Она выполняется на основе совместного анализа данных натурных реометрических наблюдений параметров приконтурного массива - мошности нарушенной зоны (Н) и коэффициента проницаемости (Кф) и данных о величинах законтурных нарушений (переборов породы).

В отечественной практике строительства подземных сооружений оценка качества оконтуривания подземных горных выработок, как известно, осушествляется по нормативам СНиП, ограничиваюшим величину допустимых законтурных переборов в зависимости от конкретных условий проходки. В частности, например, [2], предписывает следуюшие допустимые переборы при проходке

буро-взрывным способом для горных пород крепостью {=1-20 по М.М. Протодьяконову.

Методика оценки качества проходки основана на статистическом анализе фактических значений величин переборов породы. Обычно, вся совокупность переборов характеризуется неоднородностью ее членов, выражаюшаяся в причинах их возникновения, которых две: непосредственно техногенные и переборы, возникаюшие вследствие структурной неоднородности массива пород, при-водяшей к возникновению отдельных вывалов. Влияние последней учитывается используя прием оценки совместимости группы значений переборов, превышаюшей некоторую величину Хтах, соответствуюшую заданной доверительной значимости при выборочной дисперсии для данного распределения (доверительный интервал).

Для решения задачи оценки качества проходки Юкспорского тоннеля статистическому анализу фактических значений величин переборов, предоставленных маркшейдерской службой предприятия СМУ-680, было подвергнуто 172 сечения с шагом «уход-ки», равным 3.0 м, в интервале пикетов ПК 1270-665 м. Численные значения величин средних отклонений от проектного контура изменялись в диапазоне -0.165м до 0.34 м, из которых при статистической обработке были исключены случаи (3 случая) «недоборов». Распределения величин средних значений переборов по трассе тоннеля показано на рис. 2.

Рис. 2. Распределения величии средних значений переборов по трассе тоннеля

Рис. 3. Гистограмма распределения величин переборов Юкспорского тонне-

Рис. 4. Схема пространственного расположения контурных шпуров относительно оси и проектного контура выработки

Результаты статистического анализа представлены в табл. 2. Расчеты выполнены для уровня значимости а = 0.01, что соответствует доверительной вероятности 99%.

Таким образом, как показали результаты обработки, переборы, превышающие величины Хтах=0.153м обусловлены структурой массива.

На рис. 3 представлена гистограмма распределения величин переборов с учетом выполненного статистического анализа.

Для оценки качества буровзрывных работ (БВР) принята трех уровневая шкала: «отлично», «хоро-

шо», «удовлетворительно». В качестве первого критерия, определяющего допустимую величину перебора, логично принять параметр буровых машин, характеризующий расстояние от центра буровой штанги до наружного выступа буровой установки и угла пространственной ориентировки контурных шпуров относительно оси выработки, как это показано на рис. 4. Эта величина принята по габаритам применяемых гидроперфораторов типа

ГЛ438 и ГЛ538, для которых она соответственно равна Ьх = 100 мм и Ь2= 105мм. В этом случае при производстве БВР величина переборов не должна превышать Х « 0.1м по всему периметру выработки, образованному методом контурного взрывания с оценкой «отлично». Тогда, с учетом результатов статистического анализа и рис. 3, с оценкой «отлично» принимаются результаты проходки по величинам переборов, попадающие в расчетный доверительный интервал, т. е. (0.131 - 0.153) м. С оценкой «хорошо», с учетом требований СНиП,[2], табл. 2, при значениях переборов в интервале 0.153 м < Х < 0.20 м. С оценкой «удовлетворительно» 0.2 м < Х < 0.34 м. Верхняя граница последнего интервала принята исходя из анализа накопленного опыта в условиях проходки выработок с использованием контурных зарядов ЗКВК 26 ОАО «Апатит» и объектов строительства ФГУП УС-30 [3, 4].

По результатам выполненного анализа качества БВР по величинам законтурных переборов, можно заключить, что проходка выполнена с оценкой «отлично» для 62 % трассы тонне-

ля

Таблица 2

Выборка, м Размер выборки Среднее значение, м Стандарт отклонения в,м Доверительный интервал, м {^т!п-Хтах), м

0-0.34 172 0.142 0.0595 ±0.011 0.131-0.153

ля, с оценкой «хорошо» - 24 % трассы тоннеля и с оценкой «удовлетворительно» -14 % трассы тоннеля.

При оценке качества БВР при проходке тоннеля с позиций его устойчивости необходимо учитывать и параметры нарушенной зоны прикон-турного массива, образованной в процессе проходки.

К числу наиболее простых и доступных инженерных методов контроля параметров нарушенной зоны при-контурного массива, относится рео-метрический метод [5]. В данном методе используются закономерности изменения параметров фильтрации сжатого воздуха через трешины в нарушенных массивах пород.

На контрольных участках массива оборудуют наблюдательные станции, состояшие из двух-трех параллельных шпуров в стенках выработки. Расстояние между шпурами принимается исходя из обеспечения необходимого режима истечения воздуха через тре-шины массива и, обычно составляет 0,4- 0,6 м. Количество наблюдательных станций определяется в зависимости от изменчивости геологической структуры участка, но не менее трех на каждом участке. На каждой наблюдательной станции в процессе измерений фиксируются мошность Ь нарушенной зоны (ЗНС), от контура выработки (ближайшее расстояние от контура при отсутствии утечек сжатого воздуха) и коэффициент проницаемости нарушенной зоны (Кпд, ати/м мин). Последний определяется из выражения: АР

К

п{г)

АЬ  ^

где АР - падение давления в контрольном резервуаре на исследуемом участке, ати; АЬ -длина отрезка шпура, находяшегося под давлением, м; 1 -время падения давления, мин.

Комплект аппаратуры для реализации реометрического метода довольно прост и включает измерительную штангу, оснашенную запорными резиновыми пакерами, аккумулирую-шую емкость для сжатого воздуха с манометром и комплект соединительных воздушных шлангов.

При выполнении измерений штанга размешается в шпуре наблюдательной станции, контрольный участок шпура герметизируется с помошью пакеров и в него нагнетается сжатый воздух. Таким образом, на каждой станции, исходя из замеренного режима истечения сжатого воздуха через трешины массива, определяется мошность нарушенной зоны от контура выработки и коэффициент проницаемости по формуле (3).

С помошью данного метода решаются задачи контроля устойчивости выработок при их проходке в сложных горно-геологических условиях. Многочисленные наблюдения показали, что конфигурация нарушенной зоны обычно повторяет контур выработки, а ее мошность вглубь массива в подавляюшем большинстве случаев не превышает 0,4 м при глубинах заложения выработок до 600 м и плоша-дях поперечных сечений до 40 м2. Эти результаты позволили обосновать количественный критерий устойчивости выработок в массивах скальных пород - мошность нарушенной зоны от контура выработки в глубь массива не более 0.4 м. Этот критерий можно распространить и на оценку качества БВР с отметкой «отлично». Как показывает многолетний опыт ведения реометрического мониторинга при проходке выработок, образование нарушенной зоны с мошностью пре-вышаюшей 0,4-0,6 м от контура выработки, как правило, связано в большей степени со структурой массива и наблюдается на участках повышенно

Рис. 5. Результаты реометрических наблюдений в Юкспорском тоннеле

трещиноватых пород, участках тектонических нарушений, в окисленных зонах. Получаемые данные о мощности и проницаемости нарушенной зоны, таким образом, позволят более адекватно выполнить оценку качества БВР на участках структурно нарушенных пород.

Кроме того, используя зависимость мощности нарушенной зоны прикон-турного массива от фактора напряженности, можно качественно оценивать изменение напряженного состояния в зависимости от величин Ь по трассе тоннеля. Известно, что при

прочих равных условиях, напряжения, действующие в массиве и не превышающие значений (0.3-0.5)*[ссж], способствуют снижению мощности нарушенной зоны.

На рис. 5 представлены результаты обработки данных измерений реометри-ческим методом в виде гистограмм распределения Ь и Кп за период март-ноябрь 2011 г на 35 наблюдательных станциях.

Как видно из приведенных гистограмм, приконтур-ный массив Юкспорского тоннеля характеризуется наличием нарушенной зоны, мощность которой от контура выработки в 92% случаев не превышает величину 0.4 м, что характеризует массив в целом как вполне устойчивый. Суммарное раскрытие трещин в пределах нарушенной зоны, судя по распределению коэффициентов проницаемости, близко к максимальному порогу чувствительности реометри-ческой установки, составляющее первые миллиметры.

Совместный анализ варьирования мощности нарушенной зоны прикон-турного массива по трассе тоннеля, величин законтурных переборов и геологии по трассе тоннеля показал, что для участков по качеству проходки, оцененного как «удовлетворительное» (X > 0.2 м), характерны повышенные значения величин Ь. Судя по полученным результатам совместной корреляции, табл. 3, становятся очевидны причины такой оценки - структурные нарушения массива, секущие трассу выработки.

Таблица 5

Пикетаж Величина Мощность Характеристика

по трассе перебора, м нарушенной зоны, участка

тоннеля, м h, м

1125 0.245 0.4 Зона окисленных пород

1082 0.245 0.2-0.4 Зона окисленных пород

1002 0.288 0.4-0.6 Зона повыш. трещиноватости пород

980 0.280 0.4 Зона повыш. трещиноватости пород

946 0.265 0.4 Зона повыш. трещиноватости пород

917 0.299 0 Отдельные трещины в массиве

Таким образом, организация научного сопровождения строительства подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях на основе геомеханического контроля со-

1. СНиП 11-94-80 - Подземные горные выработки, М., 1980.

2. СНиП 111-44-77 - Тоннели железнодорожные, автодорожные и гидротехнические. Метрополитены. М., 1977.

3. Епимахов Ю.А. Фокин В.А., Абрам-чук В. П. Особенности оценки и управления качеством контурного взрывания при проходке большепролетных выработок в скальных породах. Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. ТИМР, №4, 1998, с. 3-6.

стояния массива, позволяет оперативно решать комплекс проектно-технологических задач и обеспечить необходимую безопасность горнопроходческих работ.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Мельников H.H., Епимахов Ю.А., Абрамов H.H. Научные основы интенсификации возведения большепролетных подземных сооружений в скальном массиве, - Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2008, -226с.

5. Руководство по определению на-рушенности пород вокруг выработок реометрическим методом. АН СССР, Кол. Фил. Горно-мет. Ин -т. - Апатиты: изд. Кольского филиала АН СССР, 1971. - 44 с. E2S

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Абрамов Николай Николаевич - ст. научный сотрудник, чл. корр. МАНЭБ, Горный институт КНЦ РАН, E-mail: abramov@goi.kolasc.net.ru

Епимахов Юрий Александрович - доктор технических наук, академик АГН, зав. лабораторией, Горный институт КНЦ РАН, E-mail: abramov@goi.kolasc.net.ru

Педчик Александр Юрьевич - зам. начальника управления №30, Управление строительством №30, Башкортостан.