загрузить автореферат

На правах рукописи
КОТЛОВ Олег Николаевич
НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРИ
СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ В ПЕСЧАНОГЛИНИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ
(НА ПРИМЕРЕ УЧАСТКА САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО
МЕТРОПОЛИТЕНА МЕЖДУ СТАНЦИЯМИ «ЛЕСНАЯ» –
«ПЛОЩАДЬ МУЖЕСТВА»)
Специальность 25.00.07 – Гидрогеология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата геолого-минералогических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2007
Работа выполнена в государственном образовательном
учреждении высшего профессионального образования СанктПетербургском
государственном
горном
институте
им. Г.В. Плеханова (техническом университете).
Научный руководитель –
доктор геолого-минералогических наук, профессор
Норватов Юлий Александрович
Официальные оппоненты:
доктор геолого-минералогических наук, профессор
Павлов Александр Николаевич
кандидат геолого-минералогических наук
Назима Виктор Николаевич
Ведущее предприятие – ОАО «Ленметрогипротранс»
Защита диссертации состоится 31 мая 2007 г. в 16 ч. на
заседании диссертационного совета Д 212.224.01 при СанктПетербургском
государственном
горном
институте
им. Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу:
199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. № 4312.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
Санкт-Петербургского государственного горного института.
Автореферат разослан 28 апреля 2007 г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
диссертационного совета
д. г.-м. н., профессор
А.Г. МАРЧЕНКО
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Развитие инфраструктуры крупных городов
влечет за собой строительство подземных сооружений различного
типа. В городах с плотно застроенными территориями большое значение имеют подземные транспортные тоннели, в частности – тоннели метрополитена.
Строительство и эксплуатация тоннелей сопровождается
формированием техногенного режима подземных вод и изменением
напряженного состояния подработанного массива. Особенно сложны гидрогеологические условия строительства и эксплуатации тоннелей, пересекающих древние погребенные долины, заполненные
песчано-глинистыми отложениями. Недостаточное внимание к изучению инженерно-геологических и гидрогеологических условий
строительства и эксплуатации тоннелей в песчано-глинистых отложениях может привести к аварийным ситуациям: нарушениям целостности обделки тоннелей, прорывам воды и водонасыщенных
рыхлых отложений в горные выработки. Подобные явления сопровождаются нарушением структуры вышележащего породного массива и оседаниями земной поверхности, которые представляют серьезную опасность для зданий и подземных коммуникаций, расположенных над тоннелями.
Для контроля безопасного строительства и эксплуатации
тоннелей необходимо выполнение целенаправленных комплексных
исследований, включающих организацию и проведение гидрогеологического мониторинга.
Цель работы. Разработка научно-методического обоснования гидрогеологического мониторинга, обеспечивающего контроль
безопасности строительства и эксплуатации транспортных тоннелей,
пройденных в песчано-глинистых отложениях.
Основная идея работы заключается в том, что для контроля
безопасности строительства и эксплуатации тоннелей необходимо
создание наблюдательной сети особой конструкции, проведение
наблюдений за изменениями гидродинамического режима подземных вод и соответствующими изменениями напряженного состояния
водонасыщенных песчано-глинистых отложений с целенаправленной интерпретацией результатов наблюдений при применении численных геофильтрационных моделей.
3
Основные задачи исследования:
 изучение гидрогеологической структуры и фильтрационных
характеристик водонасыщенных неоднородных массивов песчаноглинистых пород, вмещающих транспортные тоннели;
 разработка методики создания численных геофильтрационных моделей для интерпретации результатов наблюдений за техногенным режимом подземных вод при проходке транспортных тоннелей с гидропригрузом забоя;
 разработка методики имитации на численных геофильтрационных моделях возможных аварийных ситуаций при эксплуатации тоннелей;
 разработка методики прогнозной оценки объемов выноса
песчаных отложений при аварийном нарушении целостности обделки тоннелей;
 разработка научно-методических принципов и практических
рекомендаций по планированию и проведению гидрогеологического
мониторинга, обеспечивающего контроль безопасной эксплуатации
транспортных тоннелей.
Методы исследования. В работе используются методы исследований, включающие геологический и гидрогеологический анализ условий развития техногенных геофильтрационных и гидрогеомеханических процессов, натурные гидрогеологические наблюдения, численное геофильтрационное моделирование.
Научная новизна:
 установлены основные закономерности изменения гидродинамического режима и напряженного состояния водонасыщенных
песчано-глинистых отложений при строительстве и эксплуатации
тоннелей;
 разработана методика построения численных моделей, обеспечивающих совместное изучение и прогноз геофильтрационных и
гидрогеомеханических процессов;
 разработаны методические приемы имитации на численных
моделях аварийных ситуаций при строительстве и эксплуатации
транспортных тоннелей;
4
 разработана методика определения объемов выноса песчаных отложений при аварийном нарушении целостности обделки
тоннелей.
 разработаны научно-методические принципы гидрогеологического мониторинга при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей.
Практическая значимость. Разработанная методика гидрогеологического мониторинга рекомендуется для использования при
выполнении горных работ в период строительства, а также при эксплуатации транспортных тоннелей, заложенных в песчаноглинистых отложениях. Основные положения работы практически
использованы при проведении гидрогеологического мониторинга в
период проходки и при эксплуатации транспортных тоннелей в песчано-глинистых отложениях на участке восстановления движения от
ст. «Лесная» до ст. «Пл. Мужества» Санкт-Петербургского метрополитена.
Достоверность и обоснованность научных положений и
выводов подтверждается:
 результатами многолетних натурных наблюдений;
 анализом изучаемых геофильтрационных процессов на численных моделях;
 теоретическим анализом гидродинамических и гидрогеомеханических процессов, формирующихся при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей в песчано-глинистых отложениях;
 сходимостью результатов аналитической оценки изучаемых
процессов с результатами натурных наблюдений.
Личный вклад автора:
 разработка рекомендаций по организации и проведению
гидрогеологического мониторинга при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей;
 личное участие в проведении в течении нескольких лет
наблюдений по скважинам режимной сети и создание базы данных;
 разработка методики гидрогеологических исследований при
инженерно-геологических изысканиях на трассе проектируемых
транспортных тоннелей;
5
 разработка методики численного геофильтрационного моделирования для имитации аварийных ситуаций при эксплуатации
тоннелей;
 разработка методики прогнозной оценки объемов выноса
песчаных отложений при нарушении целостности обделки тоннелей.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов
и молодых специалистов «Геологи XXI века» (г. Саратов, 2002 г.),
на ежегодной «Конференции студентов и молодых учёных
СПГГИ (ТУ)» (2004 г.), на Международной конференции «Development, Exploitation and Processing of Raw Materials» (Фрайберг, Германия, 2006 г.).
Основные положения диссертации отражены в 5 публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на
138 страницах, включая введение, 4 главы, заключение, список литературы из 94 наименований, содержит 37 рисунков и 19 таблиц.
Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю – доктору геолого-минералогических
наук профессору Ю.А. Норватову, заведующему кафедрой гидрогеологии
и
инженерной
геологии
СПГГИ
профессору
В.В. Антонову,
кандидату
геолого-минералогических
наук
И.Б. Петровой, сотрудникам кафедры – профессору А.И. Короткову,
профессору Р.Э. Дашко, профессору В.А. Кирюхину, доценту
Н.С. Петрову; автор также особо благодарит сотрудников лаборатории гидрогеологии ВНИМИ – В.В. Назиму, И.В. Русанова,
И.В. Тугарова за полезные советы и постоянную помощь в проведении работ, положенных в основу диссертации.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе диссертации рассмотрены состояние изученности вопроса, научно-методические принципы изучения и прогноза
геофильтрационных и гидрогеомеханических процессов, развивающихся при строительстве и эксплуатации подземных сооружений в
песчано-глинистых отложениях.
Вторая глава содержит анализ геологического и гидрогеологического строения древней погребенной долины, пересекаемой трассой тоннелей на участке Санкт-Петербургского метрополитена меж6
ду станциями «Лесная» и «Площадь Мужества». Представлены результаты режимных наблюдений и методика гидрогеологического
мониторинга. Основное внимание уделено анализу многолетних
наблюдений по станциям, оборудованным датчиками гидростатического давления. Выполнена оценка напряженного состояния водонасыщенного массива до строительства, в период проходки и во время
эксплуатации транспортных тоннелей.
В третьей главе изложена методика проведения опытнофильтрационных работ с постановкой имитационного численного
моделирования для решения «игровых задач» с целью оптимизации
расположения скважин при планировании опытных откачек и регламента опробования; рассмотрено использование современных
технических средств для повышения информативности откачек и
применение современных компьютерных технологий для интерпретации полученных данных. Представлены результаты практического
применения предложенной методики при интерпретации результатов опытной откачки, проведенной на исследуемом участке метрополитена.
Четвертая глава содержит описание методики создания численной геофильтрационной модели участка древней погребенной
долины и результаты моделирования при интерпретации наблюдений за техногенным режимом подземных вод при строительстве и
эксплуатации транспортных тоннелей; также представлена методика
и результаты прогноза прорывов подземных вод в тоннели с оценкой объемов выноса песчаных отложений. Изложены практические
рекомендации по методике гидрогеологического мониторинга.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ
1. Гидрогеологический мониторинг, предназначенный для
контроля безопасной эксплуатации транспортных тоннелей,
пройденных в песчано-глинистых отложениях, должен быть
направлен на оценку напряженного состояния водонасыщенного
массива с использованием датчиков гидростатического давления
Контроль безопасности эксплуатации транспортных тоннелей,
пройденных в песчано-глинистых отложениях, подразумевает
наблюдения за изменениями гидростатических давлений, отражающих напряженное состояние водонасыщенного массива. Полное
7
напряжение, согласно схеме К. Терцаги, является суммой нейтрального напряжения (гидростатического давления) и эффективного
напряжения, изменения которого вызывают компрессионные деформации породного массива, а также изменение сил трения на контакте обделки тоннеля с вмещающими породами и соответствующие
условия устойчивости тоннелей в породном массиве. Измеряя гидростатическое давление в различных точках водонасыщенного массива и оценивая полное напряжение, можно аналитически определить эффективное напряжение в этих точках. Нейтральное напряжение определяет условия проходки тоннелей с гидропригрузом забоя
– создаваемое дополнительное гидростатическое давление приводит
к разуплотнению пород, однако способствует удержанию забоя за
счет повышения сил гидродинамического давления на породный
скелет. Повышение гидростатического давления при эксплуатации
тоннелей может свидетельствовать о проявлении тиксотропного
разжижения пород за счет знакопеременных (вибрационных) воздействий. При тиксотропном разжижении породного массива возможны оседания тоннелей, сопровождаемые нарушением целостности их обделки. Гидростатическое давление в водоносных пластах
определяет условия развития гидрогеомеханических процессов в
аварийных ситуациях (прорывы воды и водонасыщенных пород в
горные выработки при нарушении целостности водоупоров и обделки тоннелей).
Датчики гидростатического давления при организации наблюдательной сети имеют ряд преимуществ по сравнению с обычно
применяемыми открытыми пьезометрами – возможность измерения
гидростатического давления в слабопроницаемых песчаноглинистых породах, возможность установки нескольких датчиков в
виде гирлянд в скважинах, что позволяет детально изучить структуру трехмерного потока. Достоинства датчиков гидростатического
давления определили их использование при проведении гидрогеологического мониторинга в период строительства и во время эксплуатации новых транспортных тоннелей между станциями «Лесная» и
«Площадь Мужества».
Участок трассы тоннелей между этими станциями приурочен к
древней погребенной долине, выполненной четвертичными отложениями, которые представлены московской и лужской моренами,
8
разделенными межледниковыми отложениями водно-ледникового
генезиса. В комплексе четвертичных отложений выделяются три
водоносных горизонта. Первый от поверхности безнапорный водоносный горизонт приурочен к озерно-ледниковым пескам и супесям.
Второй (средний) водоносный горизонт – к озерно-ледниковым пескам и супесям, залегающим на суглинках московской морены. Третий (нижний) водоносный горизонт (толща озерно-ледниковых и
флювиогляциальных песков) залегает на котлинских глинах и перекрыт отложениями московской морены. Нижнекотлинский (гдовский) водоносный комплекс венда экранирован от четвертичного
водоносного комплекса толщей плотных котлинских глин.
После аварийного затопления тоннелей в декабре 1995 года на
участке Санкт-Петербургского метрополитена «Лесная» – «Площадь
Мужества» были организованы гидрогеологические наблюдения –
оборудована наблюдательная сеть, включающая 13 станций – буровых скважин с размещенными в них 56 датчиками гидростатического давления; в настоящее время наблюдения по этим станциям продолжаются.
Рис.1 Схема наблюдательной сети
Расстояния между станциями определяются плановой фильтрационной неоднородностью, а количество датчиков в каждой
скважине – структурой четвертичных отложений в разрезе. Станции
расположены по створам, ортогональным трассе тоннелей; количество станций в створе 2 – 3, расстояния между ними 15 – 20 м. Расстояния между створами 50 – 100 м (рис. 1). Датчики в скважинах
расположены в виде гирлянд, что дает возможность оценить трех9
мерную структуру потока подземных вод в неоднородной по фильтрационным характеристикам толще четвертичных отложений. Регулярные наблюдения по оборудованной сети выполнялись с
1999 года, с частотой 1 – 2 раза в месяц. В период проходки тоннелей наблюдения проводились еженедельно, а по скважинам, расположенным вблизи движущегося забоя, выполнялись 1 – 2 раза в
сутки.
Наблюдения за естественным гидродинамическим режимом
подземных вод позволили детализировать представления о гидрогеологической структуре толщи четвертичных отложений и оценить
закономерности сезонных изменений уровенного режима выделенных водоносных горизонтов. По результатам наблюдений в геологическом разрезе выделяются три водоносных горизонта, характеризующиеся определенными напорами, при которых фиксируется нисходящий поток. Градиент напоров подземного потока, вдоль оси
тоннелей (с северо-востока на юго-запад) при естественном режиме
подземных вод составляет величину 10-2. Сезонные изменения напоров водоносных горизонтов практически синхронны, а их амплитуды близки и не превышают 1 м. Установлена зависимость уровней
подземных вод от величины атмосферного давления, однако амплитуды суточных колебаний уровней существенно ниже сезонных. Сезонные и суточные изменения гидростатических давлений в толще
четвертичных отложений практически не влияют на условия строительства и эксплуатации тоннелей. Результаты наблюдений послужили основой для планирования технологических параметров проходки тоннелей спецкомплексом с гидропригрузом забоев на разных
участках прохождения трассы (дополнительное давление на забое
должно составлять около 20 % от величины «естественного» гидростатического давления).
По результатам замеров гидростатических давлений оценено
напряженное состояние массива песчано-глинистых пород по трассе
тоннелей – в качестве примера на рисунке 2 представлены эпюры
полных, нейтральных и эффективных напряжений.
В период проходки тоннеля по десяти наблюдательным станциям зафиксированы изменения гидростатического давления в четвертичных отложениях, а также в котлинских глинах. Реакция определялась изменением напряженного состояния водонасыщенного
10
породного массива за счет перераспределения нагрузки на массив
при его вскрытии тоннелем, а также созданием дополнительного
гидростатического давления на забое.
Рис. 2 Эпюры полных(п), нейтральных(н) и эффективных(э) напряжений до проходки транспортных тоннелей (средние значения 1999-2002 г.г.) в створе скважин 4499, 4466 и 4467.
На рисунке 3 показаны эпюры максимальных изменений
нейтральных напряжений во время приближения проходческого
комплекса к створу наблюдательных скважин.
Рис. 3 Эпюры максимальных изменений нейтральных(н) напряжений во время проходки
транспортных тоннелей в створе скважин 4499, 4466 и 4467.
Повышение давлений фиксировались при расстоянии от забоя
до точки замера, не превышающем 50 м. После кратковременного
повышения гидростатических давлений, зафиксированного во время
движения комплекса вблизи наблюдательных станций, давления
11
снижались до величины гидростатических давлений, соответствующих естественному напряженному состоянию породного массива.
Наблюдения во время эксплуатации тоннелей (2004 –
2006 г.г.) показали, что гидростатические давления изменяются незначительно (до 1,5 % от абсолютной величины), что свидетельствует о герметичности обделки тоннелей и практической стабильности
напряженного состояния обделки и вмещающего тоннели массива.
Многолетние наблюдения позволяют сделать выводы о некоторых тенденциях изменений гидродинамического режима подземных вод. В 2005 году по датчикам зафиксированы гидростатические давления, превышающие давления, замеренные в 1999 году.
Максимальные повышения гидростатических давлений на 10 –
15 кПа наблюдались в четвертичных отложениях на глубинах 10 –
15 м. По датчикам, расположенным на уровне тоннелей, увеличение
гидростатических давлений с 1999 года по 2005 год составило 5 –
10 кПа. Скорость повышения уровней подземных вод составляла от
4 до 30 см в год.
Тенденция систематического повышения уровней четвертичного водоносного комплекса со временем может быть объяснена
постепенным повышением напоров гдовского водоносного горизонта, а также повышением интенсивности инфильтрационного питания
приповерхностного водоносного горизонта. Отмеченные изменения
гидродинамического режима водоносного комплекса четвертичных
отложений незначительно влияют на изменения напряженного состояния массива на отметках заложения транспортных тоннелей.
2. Для обеспечения эффективного контроля безопасной
эксплуатации транспортных тоннелей необходимо использование численных геофильтрационных моделей, отражающих
сложный трехмерный поток подземных вод в фильтрационнонеоднородном массиве песчано-глинистых отложений
Для изучения и прогноза режима подземных вод в массиве,
представленном переслаиванием песчано-глинистых отложений,
целесообразно использование трехмерных численных геофильтрационных моделей, позволяющих учитывать плановую и профильную фильтрационную неоднородность массива, расположение обла12
стей питания и разгрузки подземных вод, их инфильтрационное питание, реакции на проходку тоннелей.
Исходной гидрогеологической информацией для создания
численных геофильтрационных моделей послужили результаты
опытного опробования водоносных горизонтов и данные режимных
наблюдений. Вблизи трассы тоннелей проведена опытная откачка с
целью оценки фильтрационных параметров нижнего межморенного
водоносного горизонта. Опробуемая толща представлена переслаиванием песков и супесей. Наблюдения за изменениями уровней в
центральной и наблюдательной скважинах проводились с использованием датчиков гидростатического давления, которые позволили
определять понижения напоров в различных слоях. При аналитической обработке результатов откачки оценено среднее значение коэффициентов фильтрации опробуемой толщи (10 м/сут). Дифференциация фильтрационных характеристик песков и оценка коэффициентов фильтрации супесей проведены на численной геофильтрационной модели, что позволило существенно уточнить фильтрационные параметры.
Для интерпретации режимных наблюдений при проходке
транспортных тоннелей созданы (совместно с В.В. Назимой) численные геофильтрационные модели трех локальных участков трассы. Имитация в нестационарной постановке условий проходки тоннелей с гидропригрузом забоя позволила установить, что коэффициенты фильтрации глинистых пород, вскрываемых тоннелями, составляют 10-1 – 10-3 м/сут, а коэффициенты упругоемкости от
10-3 1/м до 10-5 1/м.
Общая численная геофильтрационная модель погребенной долины на территории, сопредельной с участком трассы тоннелей, создана с целью изучения условий формирования естественного и техногенного режима подземных вод, а также для имитации аварийной
ситуации, сложившейся в 1995 году, и прогноза гипотетических аварийных ситуаций при эксплуатации транспортных тоннелей.
Геофильтрационная модель палеодолины, включающая участок тоннелей метрополитена, предварительно построена на основе
полученных на локальных моделях фильтрационных характеристик
глинистых пород, а также параметров водоносных горизонтов,
13
определенных по результатам опытной откачки, проведенной на исследуемом участке.
Размеры моделируемой территории 2,3 км  2,15 км (рис. 4),
максимальная мощность моделируемой толщи 120 м. Разбивка
трехмерной численной модели представлена 103584 элементарными
блоками, размеры которых определялись с учетом гидрогеологической структуры четвертичного комплекса, а также взаимного расположения наблюдательных скважин и тоннелей.
Рис. 4 Схема численной геофильтрационной модели палеодолины (3-й слой модели – верхний
межморенный горизонт, на границах которого заданы граничные условия первого рода)
Первый, третий и восьмой слои соответствуют трем водоносным горизонтам, другие слои модели – относительные водоупоры, представленные суглинками и глинами, причем 5-й и 7-й слои
выделены для имитации размещения в них новых и затопленных
тоннелей.
Калибровка модели заключалась в уточнении коэффициентов
фильтрации песчано-глинистых отложений, интенсивности инфильтрационного питания и уровней на внешних границах с использованием для контроля гидростатических давлений по датчикам и уровней по открытым пьезометрам региональной сети (рис. 4). В результате калибровки модели палеодолины получены коэффициенты
фильтрации песков 1 м/сут (верхнего и среднего водоносных гори14
зонтов), 10 м/сут (нижнего водоносного горизонта); коэффициенты
фильтрации суглинков порядка 10-2 м/сут.
Впервые созданная трехмерная численная геофильтрационная
модель палеодолины использована для интерпретации результатов
режимных наблюдений, а также для анализа и прогноза гипотетических аварийных ситуаций, с целью повышения эффективности контроля безопасности эксплуатации тоннелей, пройденных в песчаноглинистых отложениях.
3. Прогноз объемов выноса песчаных отложений при аварийном нарушении целостности обделки тоннелей выполняется
с использованием разработанной методики, основанной на сочетании численного геофильтрационного моделирования с аналитической оценкой гидрогеомеханических процессов оплывания и
переноса песков
Предпосылкой аварийных ситуаций при эксплуатации транспортных тоннелей является проявление песчано-глинистыми отложениями, вмещающими тоннели, тиксотропных свойств. Тиксотропное разжижение пород сопровождается резким повышением
гидростатического давления, что является критерием опасной ситуации. Развитие тиксотропного разжижения вмещающих тоннели отложений может привести к проседанию тоннелей, к развитию деформаций их обделки, к аварийным прорывам воды и водонасыщенных рыхлых отложений в тоннели. Нарушение герметичности
обделки тоннелей сопровождается снижением гидростатических
давлений во вмещающих тоннель породах, что также является критериальным признаком аварийной ситуации. Подобные явления в
1995 году сопровождались нарушением структуры массива пород
над тоннелями и оседаниями земной поверхности.
При нарушении целостности обделки тоннелей возможен вынос песка через трещины с образованием конусообразной каверны в
водоносном пласте (рис. 5).
15
Рис. 5 Схема к оценке объема выноса песка при нарушении целостности обделки тоннеля: R –
радиус образовавшегося конуса; r – радиус участка нарушения обделки тоннеля, Ii – уклон
откоса песка на различных участках, m – мощность пласта песка.
Конфигурация каверны зависит от геометрических параметров
языка оплывания песков, которые определяются влиянием гидростатических и гидродинамических сил на напряженное состояние песков, их физико-механическими свойствами, расходом потока в теле
языка оплывания и интенсивностью потоков на его поверхности. В
связи со сложностью учета этих факторов в рамках единой расчетной схемы, разработанная В.М. Шестаковым методика определения
конфигурации языков оплывания базируется на использовании некоторых эмпирически полученных коэффициентов с учетом величины удельных расходов плоско-параллельного потока подземных вод,
поступающего на фильтрующий откос. Рассматриваемая при оценке
процессов выноса песка в тоннели схема (рис. 5) характеризуется
осесимметричной структурой потока подземных вод, при которой
удельные расходы потока повышаются по мере его движения в теле
языка оплывания, что приводит к выполаживанию его поверхности.
Расход подземных вод, поступающий к каверне, можно определить
используя численную геофильтрационную модель гидрогеологической структуры, и далее оценить параметры каверны с учетом изменения удельного расхода потока.
Таким образом, разработанная при подготовке диссертации
методика определения объема выноса песков в тоннели при нарушении целостности их обделки основана на сочетании моделирова16
ния с аналитическими оценками, которые базируются на использовании
эмпирических
характеристик,
обоснованных
ранее
В.М. Шестаковым, скорректированных с учетом осесимметричной
структуры подземных потоков, поступающих к дефектным участкам
обделки.
Предлагаемая методика использована при анализе условий
аварийных прорывов подземных вод и водонасыщенных песков в
тоннели в 1995 году. Водоприток к аварийному участку тоннелей,
полученный при численном моделировании (817 м3/сут), сопоставим с притоком, зафиксированным в конце 1995 года. Приток в тоннель формировался в основном за счет водообильного нижнего
межморенного водоносного горизонта.
Для имитации гипотетических аварийных ситуаций на модели
рассмотрены три участка по трассе эксплуатируемых тоннелей. Водопритоки в тоннели, полученные на численной модели, и рассчитанные объемы выноса песка на аварийном участке старого тоннеля,
а также на рассмотренных участках трассы новых тоннелей, представлены в таблице.
Водопритоки и объем выноса песка в тоннели
участки
водоприток к участку, полученный на модели, м3/сут
рассчитанный объем выноса
песка, м3
новый тоннель
затопленный
тоннель
участок 1
участок 2
участок 3
817,0
14,3
19,0
19,4
162,3
41,2
50,3
58,5
Прогнозные водопритоки к участкам гипотетических прорывов по трассе новых тоннелей значительно меньше водопритоков в
тоннели при аварийной ситуации 1995 года. Притоки в эксплуатируемые тоннели формируются за счет верхнего межморенного водоносного горизонта.
На рисунке 6 показана конфигурация языка оплывания, оцененная по результатам расчетов для аварийной ситуации на старых
тоннелях.
17
Рис. 6 Профиль языка оплывания песков по результатам расчетов для аварийной ситуации на
старых тоннелях: Ii – уклон откоса на разных участках, m – мощность пласта песков,
R0 – радиус каверны, V – объем вынесенного песка.
Объем выноса песка, рассчитанный при имитации условий
аварии на старых тоннелях (162 м3), сопоставим с фактическим объемом песка, вынесенным в тоннель (120 м3), что подтверждает приемлемость разработанной методики.
Выполненные прогнозные оценки свидетельствуют о том, что
новые тоннели пройдены в благоприятных условиях, однако это обстоятельство не исключает необходимости систематического контроля безопасности их эксплуатации.
В диссертации сформированы практические рекомендации по
организации гидрогеологического мониторинга на разных стадиях
его проведения, которые включают указания по проведению мероприятий при планировании гидрогеологического мониторинга, рекомендации по размещению наблюдательных скважин и оборудованию их современными средствами измерений гидростатических
давлений, требования к регламенту наблюдений в период проходки
и во время эксплуатации тоннелей. Предложены гидрогеологические критерии опасных ситуаций при строительстве и эксплуатации
тоннелей. Для интерпретации результатов режимных наблюдений, а
также для анализа и прогноза гипотетических аварийных ситуаций
рекомендуется использование численных геофильтрационных моделей.
18
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации решена актуальная научно-техническая задача
по разработке научно-методических принципов гидрогеологического мониторинга при строительстве и при эксплуатации транспортных тоннелей в песчано-глинистых отложениях.
Основные научные и практические результаты исследований
заключаются в следующем:
1. Доказано, что для контроля безопасности строительства и
эксплуатации транспортных тоннелей необходима организация гидрогеологического мониторинга, направленного на оценку напряженного состояния водонасыщенных песчано-глинистых массивов.
2. На примере выполненного опробования водоносного комплекса песчано-глинистых отложений, предложена методика планирования опытных откачек и интерпретации их результатов при
гидрогеологических изысканиях на трассах тоннелей.
3. Разработана методика создания численных геофильтрационных моделей для интерпретации результатов наблюдений за техногенным режимом подземных вод при проходке и эксплуатации
транспортных тоннелей.
4. На основе результатов выполненных натурных наблюдений
впервые создана трехмерная численная геофильтрационная модель,
учитывающая особенности формирования режима подземных вод в
пределах палеодолин на территории Санкт-Петербурга.
5. Обоснована методика прогноза выноса песчаных отложений
в тоннели при аварийном нарушении целостности их обделки, базирующаяся на сочетании численного геофильтрационного моделирования с аналитической оценкой гидрогеомеханических процессов.
6. Разработаны практические рекомендации по планированию
и проведению гидрогеологического мониторинга при строительстве
и эксплуатации транспортных тоннелей в песчано-глинистых отложениях.
19
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Назима В. В., Котлов О. Н. Наблюдения за изменениями гидростатического давления в массиве водонасыщенных пород на аварийном участке Санкт-Петербургского метрополитена. Материалы
Всероссийской научной конференции «Геологи XXI века». Саратов:
СО ЕАГО, 2002. – с. 361-363.
2. Норватов Ю.А., Петрова И.Б., Русанов И.В., Назима В.В.,
Котлов О.Н. Использование численного моделирования для оптимизации дренажных мероприятий при сооружении и эксплуатации
тоннелей глубокого заложения на примере Северомуйского тоннеля
БАМ. Сергеевские чтения. Выпуск 5. Молодежная сессия – М.
"ГЕОС", 2003. – с. 20-24.
3. Котлов О.Н. Контроль напряженного состояния песчаноглинистых отложений при проходке транспортных тоннелей на аварийном участке Санкт-Петербургского метрополитена. Записки
Горного института. - СПб.: СПГГИ (ТУ), 2005, Том 157, – с. 15-18.
4. Норватов Ю.А., Петрова И.Б., Назима В.В. Котлов О.Н. Перспективы снижения затрат на гидрогеологические работы при разведке месторождений ТПИ. Разведка и охрана недр. – 2006. – №1. –
c. 59–62.
5. Kotlov O. The application of computational modeling for determination filtrational parameters of sandy-argillaceous sedimentation at
building tunnels of underground railway in Saint-Petersburg. Development, Exploitation and Processing of Raw Materials, Freiberger Forschungsforum 57.Berg- und Huttenmannischer Tag, 2006. – p. 109-112.
20