Гидрогеологическое обеспечение горных работ при строительстве подземных сооружений в песчано-глинистых отложениях

Назима, Вячеслав Викторович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Гидрогеологическое обеспечение горных работ при строительстве подземных сооружений в песчано-глинистых отложениях
ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации по теме "Гидрогеологическое обеспечение горных работ при строительстве подземных сооружений в песчано-глинистых отложениях"

На правах рукописи

НАЗИМА Вячеслав Викторович

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГОРНЫХ РАБОТ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ В ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ

Специальность25.00.16-«Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С.-Петербург-2005

Работа выполнена в ОЛО «Научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ».

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических паук,

профессор Норватов Ю. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гусев В. Н.

кандидат геолого-минералогических наук Атрошенко Ф. Г.

Ведущее предприятие - ОАО «Леимсгрогиирофанс»

Защита состоится «28» апреля 2005 г. в

а ч оо_

мин на заседа-

нии Диссертационного совета Д 002.108.01 в ОЛО «Научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела -Межотраслевой научный центр ВНИМИ» по адресу: 199026 Санкт-Петербург, Средний пр., 82., зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИМИ.

Автореферат разослан

Исх. №.

Ученый секретарь Диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Шик В. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Гидрогеологическое обеспечение горных работ при строительстве подземных сооружений представляет совокупность гидрогеологических экспериментов и наблюдений, а также последующую интерпретацию их результатов и обоснование оптимальных технических решений по управлению режимом подземных вод.

Техногенные геофильтрационные процессы, развивающиеся при строительстве и эксплуатации подземных сооружений, как правило, существенно влияют на напряженное состояние и деформации породных массивов. В частности, силовое влияние подземных вод нередко определяет развитие деформаций бортов строительных котлованов или локальных участков транспортных тоннелей. Снижение уровней подземных вод в процессе проходки котлованов для строительства подземных сооружений сопровождается оседаниями земной поверхности, что представляет серьезную опасность для районов жилой застройки.

При строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей изменяется режим подземных вод и напряженное состояние подработанного массива. При недостаточном внимании к гидрогеомеханическим процессам возможны внезапные прорывы воды или водонасыщенных рыхлых пород в горные выработки, нарушения технологического регламента, тяжелые аварийные ситуации. Наиболее сложные геофильтрационные и гидрогеомеханические процессы развиваются при строительстве тоннелей в песчано-глинистых породах. В частности, развитие этих процессов привело к аварии на транспортных тоннелях Санкт-Петербургского метрополитена на участке станций «Лесная» - «Площадь Мужества», в результате которой сквозное движение на линии было нарушено в период 1995-2004 годов.

Для обоснования инженерных мероприятий по управлению режимом подземных вод и напряженным состоянием массивов горных пород необходим надежный прогноз взаимосвязанных гидродинамических и геомеханических процессов. Плодотворность анализа и прогноза этих процессов может быть обеспечена при совместном их рассмотрении в рамках единого гидрогеомеханического подхода к их изучению и схематизации.

Идеи и принципы гидрогеомеханического подхода при анализе напряженного состояния водонасыщенных массивов горных пород реализовыва-лись многими учеными и специалистами-практиками.

Большой вклад в становление и развитие гидрогеомеханики внесли Гер-севанов Н. М., Павловский Н. Н., Терцаги К., Маслов Н. Н., Веригин Н. Н., Мироненко В. А., Шестаков В. М., Зарецкий Ю. К., Маньковский Г. И., Гальперин А. М, Норватов Ю. А., Кутепов Ю. И., Оловянный А. Г., Стрельский Ф. П., Панчуков Н. П., Подольский В. А. и др.

ставу, механическим свойствам и проницаемости, нуждается в дальнейшем совершенствовании. Наряду с рассмотрением принципов натурных исследований необходимо также дальнейшее развитие методики интерпретации их результатов на базе современных компьютерных технологий. Анализ результатов гидрогеологических исследований на конкретных объектах позволил установить некоторые ранее неизвестные закономерности геофильтрационных и гидрогеомеханических процессов, обосновать методические рекомендации по аспектам схематизации, моделирования и прогноза этих процессов.

Цель работы. Разработка методики проведения гидрогеологических изысканий и исследований для обоснования инженерных мероприятий, обеспечивающих безопасность строительства подземных сооружений.

Основная идея работы заключается в том, что эффективность гидрогеологического обеспечения горных работ при строительстве подземных сооружений может быть повышена за счет проведения натурных исследований с применением датчиков гидростатического давления в сочетании с использованием численного моделирования для анализа и прогноза изучаемых геофильтрационных и гидрогеомеханических процессов, а также для оптимизации инженерных мероприятий по управлению этими процессами.

Задачи исследований:

- разработать научно-методические принципы организации и проведения гидрогеологического мониторинга, обеспечивающего безопасность строительства подземных сооружений;

- изучить в натурных условиях техногенный режим подземных вод и закономерности изменения напряженного состояния водонасыщенных неоднородных массивов песчано-глинистых пород при проходке транспортных тоннелей с гидропригрузом забоя;

- разработать рекомендации по совершенствованию структуры численных геофильтрационных моделей и методических приемов моделирования для повышения надежности прогнозов гидродинамического режима и оценок оседания земной поверхности при строительном водопонижении;

- разработать практические рекомендации по гидрогеологическому обеспечению горных работ при строительстве подземных сооружений.

Методы исследований. Комплексный метод исследований, включающий анализ геологических и гидрогеологических условий развития техногенных геофильтрационных и гидрогеомеханических процессов, натурные наблюдения за этими процессами, натурные эксперименты, численное моделирование изучаемых процессов.

Научныеположения, защищаемые в диссертации:

1. При сооружении транспортных тоннелей в водонасыщенных песча-но-глинистых отложениях проходческими комплексами с гидропригрузом забоя система мониторинга должна включать наблюдения за гидростатиче-

скими давлениями во всех элементах гидрогеологической структуры, что позволяет оценить гидрогеомеханическое состояние толщи для контроля безопасности горных работ.

2. Проходка тоннелей в фильтрационно-неоднородных песчано-глинистых моренных отложениях специализированным комплексом с гид-ропригрузом забоя сопровождается изменением гидродинамического режима подземных вод и напряженного состояния массива в зоне, размеры которой не превышают 50 метров по простиранию отложений, а в разрезе ограничены положением водоносных горизонтов, залегающих в кровле и подошве моренных отложений.

3. Надежность прогнозов гидродинамического режима подземных вод и оценок оседаний земной поверхности при строительном водопонижении обеспечивается за счет предлагаемого совершенствования структуры используемых численных моделей и методических приемов моделирования, учитывающих неоднородность массивов песчано-глинистых отложений по фильтрационным и деформационным свойствам.

Научная новизна работы:

- установлены основные закономерности изменения гидродинамического режима и напряженного состояния водонасыщенных песчано-глинистых отложений при сооружении в них тоннелей проходческим комплексом с гидропригрузом забоя;

- теоретически обоснована связь изменений гидростатических давлений в безнапорных водоносных комплексах с изменениями атмосферного давления;

- разработаны научно-методические принципы организации гидрогеологического мониторинга при строительстве и эксплуатации подземных сооружений;

- разработаны научно-методические принципы построения численных моделей, обеспечивающих совместное изучение и прогноз геофильтрационных и гидрогеомеханических процессов.

Личный вклад автора:

- разработка методики гидрогеологических наблюдений при проходке тоннелей в песчано-глинистых отложениях;

- оборудование станций режимной сети на участке «Размыв» Санкт-Петербургского метрополитена;

- проведение наблюдений по станциям режимной сети, создание базы данных;

- разработка численных геофильтрационных моделей, имитирующих условия проходки тоннелей с гидропригрузом забоя;

- разработка рекомендаций по методике численного моделирования геофильтрации для прогноза оседания земной поверхности.

Достоверность разработанных научных положений и выводов подтверждается:

- эффективной долговременной (в течение шести лет) эксплуатацией

наблюдательных станций при проведении гидрогеологического мониторинга на участке восстановления движения 1-й линии Санкт-Петербургского метрополитена;

- проведением натурных наблюдений и экспериментов;

- интерпретацией результатов натурных исследований на численных геофильтрационных моделях.

Практическое значение работы:

- разработанная методика гидрогеологического мониторинга рекомендуется при выполнении горных работ при строительстве подземных сооружений различного назначения;

- рекомендации по методике опытно-фильтрационных работ и структуре численных геофильтрационных моделей целесообразно использовать при обосновании параметров строительного водопонижения в районах плотной городской застройки с учетом возможных оседаний земной поверхности;

- практическая реализация разработанных инженерных решений при проходке строительных котлованов в г. Казани.

Реализация работы. Основные результаты работы использованы при организации и проведении гидрогеологического мониторинга при проходке транспортных тоннелей на участке восстановления движения от ст. «Лесная» до ст. «Пл. Мужества» Санкт-Петербургского метрополитена и проведении комплексных гидрогеологических исследований на участках строительства подземных станций «Пл. Тукая» и «Суконная Слобода» метрополитена в г. Казани.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на конференции молодых ученых ВНИМИ (2001 г.), на всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Геологи XXI века» (г. Саратов, 2002 г)

Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 статей.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю -член-корреспонденту Российской академии естественных наук профессору Норватову Ю. А. и кандидату геолого-минералогических наук Петровой И. Б. Автор считает своей приятной обязанностью поблагодарить доктора технических наук Кутепова Ю. И., кандидата геолого-минералогических наук Ку-тепову Н. А., кандидата геолого-минералогических наук Русанова И. В. и весь коллектив лаборатории гидрогеологии и экологии ВНИМИ за содействие в проведении исследований, полезные советы и конструктивные замечания, высказанные при обсуждении результатов работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертационной работы рассмотрены состояние изученности проблемы, научно-методические принципы изучения и прогноза геофильтрационных и гидромеханических процессов, развивающихся при строительстве подземных сооружений.

Во второй и третьей главах представлены результаты гидрогеологического мониторинга, организованного на участке восстановления движения по 1-й линии Санкт-Петербургского метрополитена от ст. «Лесная» до ст. «Пл. Мужества». Основное внимание уделено анализу геофильтрационных процессов, развивающихся при проходке тоннеля механизированным комплексом с гидропригрузом забоя. Приведены результаты анализа шестилетних наблюдений по станциям, оборудованным датчиками гидростатического давления. Приведены установленные закономерности естественного режима подземных вод, выполнен анализ влияния атмосферного давления на уровни подземных вод, оценены гидростатические давления по трассе тоннеля и изменения напряженного состояния массива песчано-глинистых пород при проходке тоннеля с различными параметрами гидропригруза забоя.

В четвертой главе представлены результаты натурных исследований, выполненных для оценки напряженного состояния и деформаций песчано-глинистых отложений при проведении водопонижения в связи с проходкой котлованов для строительства подземных станций метрополитена в г. Казани. Разработана методика комплексных гидрогеологических исследований для прогноза деформаций дренируемой толщи и оседания земной поверхности в результате водопонижения. Представлена разработанная методика проведения опытно-фильтрационных работ с использованием датчиков гидростатического давления, которая основана на принципе обратной связи натурных исследований с интерпретацией их результатов на базе современных компьютерных технологий. Рассмотрена специфика численных геофильтрационных моделей для решения конкретных гидрогеоме-ханических задач, связанных с оценкой деформаций песчано-глинистых толщ за счет изменения гидростатических давлений при водопонижении.

I Защищаемоеположение

При сооружении транспортных тоннелей в водонасыщенных песчано-глинистых отложениях проходческими комплексами с гидропригрузом забоя система мониторинга должна включать наблюдения за гидростатическими давлениями во всех элементах гидрогеологической структуры, что позволяет оценить гидрогеомеханическое состояние толщи для контроля безопасности горных работ.

В работе рассмотрена ситуация, которая сложилась к концу 1995 г. на участке «Размыв» Санкт-Петербургского метрополитена и привела к затоплению тоннелей.

Аварийная ситуация явилась следствием развития сложных гидрогео-механических процессов, которые были обусловлены недостаточным учетом специфических природных условий этого участка. Участок размыва котлинских глин является древней долиной, которая выполнена озерно-ледниковыми отложениями - суглинками, супесями и песками среднечет-вертичного возраста. К толще песчано-глинистых отложений приурочен водоносный комплекс сложной структуры.

Напряженное состояние водонасыщенного массива и его изменения при эксплуатации тоннелей до аварии не контролировались. После затопления тоннелей, по предложению С. Я. Нагорного, сотрудниками лаборатории гидрогеологии и экологии ВНИМИ были организованы с 1996 г. наблюдения за гидростатическим давлением в толще четвертичных отложений. В связи со специфическим строением неоднородного породного массива, представленного песчаными и глинистыми разностями, замеры гидростатических давлений в глинистых породах пьезометрами открытого типа невозможны в силу их инерционности. Поэтому для решения этой задачи использованы датчики гидростатического давления.

Наблюдения за гидродинамическим режимом четвертичного водоносного комплекса и напряженным состоянием массива проводились по специальным наблюдательным станциям (скважинам с размещенными в них датчиками гидростатического давления). Наблюдательные станции размещались по трассе проектируемых тоннелей с интервалом порядка 100 м (рис. 1). Расстояния от скважин до оси тоннелей составляют 10-20 метров. Наблюдательная сеть состояла из 18 скважин глубиной 50-100 м, в каждой из которых на разных глубинах размещены от 4 до 6 датчиков в песчаных и глинистых отложениях.

Рис. 1. Схема расположения скважин наблюдательной сети и транспортных тоннелей

На первом этапе наблюдений (1996-2003 гг.) выявлены закономерности естественного гидродинамического режима подземных вод, установлена явная трехмерность потока, приуроченного к фильтрационно-неоднородному комплексу четвертичных отложений.

По гидродинамическому признаку выделено три водоносных горизонта: приповерхностный - связанный с озерно-ледниковыми отложениями, залегающими над лужской мореной, средний - приуроченный к межморенным отложениям, и нижний - представленный водно-ледниковыми отложениями, залегающими непосредственно на котлинских глинах под московской мореной

Горизонтальные составляющие скорости фильтрации потоков подземных вод по выделенным горизонтам ориентированы с востока на запад - по направлению основной оси древней долины. Градиент напоров горизонтального потока приповерхностного горизонта характеризуется величиной порядка , среднего - около , нижнего - около

По всем наблюдательным станциям фиксировалась вертикальная составляющая скорости фильтрации трехмерного подземного потока. Градиенты напоров нисходящего потока между верхним и средним водоносными горизонтами составляли 0,12-0,5. Между средним и нижним водоносными горизонтами зафиксированы как нисходящие, так и восходящие потоки. Была установлена частичная разгрузка четвертичного водоносного комплекса в гдовский водоносный горизонт. Сезонные изменения напоров трех водоносных горизонтов практически синхронны, а их амплитуды близки, не превышают 1 м и не влияют на условия проходки тоннелей.

Замеры гидростатических давлений в толще песчано-глинистых пород сопровождались фиксацией атмосферного давления; при этом была установлена явная корреляционная связь между этими характеристиками. На основе теоретического анализа получена новая аналитическая зависимость вида:

где - изменение положения уровней подземных вод при изменении атмосферного давления на

- коэффициент пористости, пористость, коэффициент сжимаемости водонасыщенных пород; уо - удельный вес воды; т - мощность водонасы-щенного массива.

Полученная зависимость (1) отличается от известной, полученной ранее для напорных пластов, и позволяет определить параметры пористости и сжимаемости пород водоносного горизонта. Расчет коэффициента сжимаемости ас может быть выполнен по формуле:

(2)

где - изменение гидростатического давления по датчикам.

Коэффициент сжимаемости пород в приповерхностной зоне мощностью 15 м, рассчитанный с использованием результатов наблюдений, характеризуется величинами (КГ-КР) Коэффициент упругоемкости можно рассчитать по формуле:

То „

—а. 1+6 с

Согласно формуле (3), коэффициент упругоемкости составляет величины (10"3-10"4) 1/м.

Согласно проекту, новые транспортные тоннели проходились с 2003 г. на глубине 50-60 м от земной поверхности преимущественно по моренным отложениям. Проходка тоннелей осуществлялась специальным комплексом «Виктория» с гидропригрузом песчано-глинистых пород на забое.

Серьезные опасения вызывала сохранность канализационного коллектора, под которым планировалась проходка тоннелей.

Результаты наблюдений позволили оценить распределение эффективных напряжений в толще песчано-глинистых отложений по всей трассе тоннелей до их проходки и обосновать технологические параметры гидро-пригруза (создаваемое на забое гидростатическое давление, согласно нормам, должно на 15-20 % превышать «фоновую» величину давлений).

Порезультатам проведенных исследований былиразработаныреко-мендации по организации гидрогеологического мониторинга, основные из которыхсводятсяк следующему:

1. При планировании целенаправленных наблюдений за гидродинамическим режимом водоносного комплекса, приуроченного к массиву песча-но-глинистых отложений, следует выполнить предварительную гидрогеологическую схематизацию.

2. При организации наблюдений за гидродинамическим режимом подземных вод для контроля напряженного состояния водонасыщенной толщи, представленной неоднородными песчано-глинистыми отложениями, следует отказаться от оборудования открытых пьезометров, заменив их станциями с датчиками, позволяющими определять гидростатическое давление и оценивать напряженное состояние глинистых пород.

3. Контроль изменений гидростатических давлений следует выполнять в каждом из выделяемых по гидрогеологической схематизации элементов системы.

4. Датчики, размещенные в специально пробуренных скважинах в виде гирлянд, необходимо тщательно изолировать друг от друга глинистым материалом, что позволяет дифференцированно оценивать гидростатические давления в отдельных элементах наблюдаемой гидрогеологической системы.

5. При явно выраженной плановой неоднородности массива для контроля за развитием геофильтрационных и гидрогеомеханических процессов рекомендуется оборудовать через 50-100 м несколько створов, в каждом из которых следует разместить по 2-3 станции.

Таким образом, гидрогеологический мониторинг должен предусматривать следующие этапы:

- до начала производства горных работ оценивается геофильтрационное поле, уточняется пространственная структура фильтрационного потока, схематизируются условия питания и разгрузки подземных вод, оценивают-

ся особенности их режима и определяется естественное напряженное состояние водонасыщенного массива;

-при ведении горных работ осуществляются наблюдения за изменениями гидростатического давления в выделенных элементах водонасыщенного массива в зависимости от положения забоя и величины гидропригруза;

-производится оценка фильтрационных и гидрогеомеханических параметров пород, вскрываемых горными выработками;

-строятся численные модели объекта и выполняются оперативные прогнозы изменений напряженного состояния массивов на участках размещения охраняемых инженерных и природных объектов.

II защищаемое положение

Проходка тоннелей в фильтрационно-неоднородных песчано-глинистых моренных отложениях специализированным комплексом с гид-ропригрузом забоя сопровождается изменением гидродинамического режима подземных вод и напряженного состояния массива в зоне, размеры которой не превышают 50 метров по простиранию отложений, а в разрезе ограничены положением водоносных горизонтов, залегающих в кровле и подошве этих отложений.

В процессе проходки тоннелей с гидропригрузом забоя были зафиксированы временные повышения гидростатического давления в массиве кот-линских глин и моренных суглинков. В зависимости от расположения наблюдательных станций в плане относительно забоя тоннеля реакция была зафиксирована по одному-двум датчикам, размещенным на разных глубинах вблизи горной выработки. Реакция определялась созданием гидростатических давлений на забое, на 15-20 % превышающих фоновые, а также изменением напряженного состояния водонасыщенного породного массива за счет перераспределения эффективных напряжений в массиве при его вскрытии забоем тоннеля.

По датчикам, установленным в тугопластичных суглинках и дислоцированных котлинских глинах, при подходе забоя тоннеля к станции наблюдалось постепенное повышение гидростатических давлений в пределах 10-50 кПа с последующим плавным снижением (в течение 10-30 дней) до фоновых значений 400-450 кПа (рис. 2).

При проходке тоннеля по песчаным и супесчаным породам фиксировалось резкое повышение гидростатического давления на величину до 90 кПа, с последующим быстрым его снижением в течение 1-2 дней.

Скорость проходки тоннеля по первому пути метрополитена составляла 3-4 м/сутки, а по второму пути превосходила эту скорость в несколько раз. Замеры гидростатического давления по всем наблюдательным станциям показали, что в аналогичных породных массивах повышение давления при проходке тоннеля по первому пути превосходило реакцию, зафиксированную при проходке тоннеля по второму пути.

Рис. 2. Изменение гидростатических давлений по датчикам Д1-Д5 в скважине 4470 при подходе забоя тоннеля первого пути

На основании наблюдений за гидростатическими давлениями в водо-насыщенном массиве установлены закономерности распределения полных, нейтральных и эффективных напряжений на различных глубинах по всем скважинам по трассе тоннелей (рис. 3).

Рис. 3. Эпюры полных (оп), эффективных (о,) и нейтральных (он) напряжений по скважине № 4474 до начала проходки (а) и во время проходки I тоннеля (б)

В целом по результатам наблюдений установлено, что повышение гидростатических давлений (нейтральных напряжений) и соответствующее снижение эффективных напряжений в массиве песчано-глинистых моренных отложений фиксируется перед забоем тоннеля в пределах зоны, размеры которой не превышают 50 м. Изменение напряженного состояния массива над забоем тоннеля наблюдается только в глинистых породах (зона влияния ограничена первыми метрами). В пластах песков или супесей, которые перекрывают и подстилают глинистый пласт, вскрываемый забоем, реакция на проходку не фиксируется. Незначительные изменения напряженного состояния массива песчано-глинистых отложений над забоем тоннеля способствовали безопасной подработке тоннелями ветхого канализационного коллектора. Максимальное разуплотнение и снижение прочности массива происходило непосредственно перед забоем тоннеля и способствовало повышению эффективности проходки с гидропригрузом забоя.

Для интерпретации результатов проведенных режимных наблюдений использовались трехмерные численные геофильтрационные модели. С этой целью были созданы три модели, отвечающие локальным участкам трассы, максимально охарактеризованным гидрогеологической информацией.

Одна из моделей, на которой интерпретировались результаты режимных наблюдений, полученные по скважине 4489, отражает условия участка, где проходческий комплекс по трассе тоннеля переходил из плотных котлинских глин в моренные суглинки и супеси (на первом этапе проходки транспортного тоннеля по трассе I пути). Вторая модель связана с наблюдениями по трем скважинам: 4467, 4466 и 4499. Моделируемый участок расположен вблизи канализационного коллектора. Третья модель (участок вблизи скважины 4470, приуроченный к центральной части древней долины, пересекаемой трассой тоннелей) интересна тем, что по расположенному в ней датчику Д2 во время проходки I тоннеля было зафиксировано максимальное повышение давления (50 кПа). Разбивка каждой из трехмерных моделей представлена слоями, рядами и столбцами (рис. 4). Разбивка моделей на слои выполнена с учетом литологии пород. Дискретность моделей учитывала расположение наблюдательных скважин относительно тоннелей и скорость движения забоя тоннеля. При численном моделировании рассмотрен период времени, в течение которого забой находился в 100 м от створа наблюдательных скважин и отходил от него на 100 м (этот период включал отрезок времени от начала до окончания реакции датчиков гидростатического давления на приближение и отход забоя).

Движение проходческого комплекса с гидропригрузом забоя имитировалось на модели заданием постоянного напора в блоке, соответствующем положению забоя тоннеля в различные моменты времени.

Си 4467 Скв 4466 Скв 4499 Q 10||

I_i

| * ДЗ | Датчик гидростатического давления I Д | Положение забоя тоннеля на различные моменты времени Sc«i Jwj Наблюдательная скважина и ее номер

Рис. 4. Разбивка модели в разрезе (модель участка скважин 4467,4466 и 4499)

Основной подбор фильтрационных параметров осуществлялся в два этапа. Вначале подбиралось в стационарном режиме соотношение коэффициентов фильтрации водонасыщенной толщи по напорам, замеренным по датчикам гидростатического давления до проходки тоннелей. Далее в нестационарном режиме (с учетом скорости движения забоя) подбирались коэффициенты упругоемкости. Полученные на модели соответствующие варианты графиков изменения напоров сравнивались с фактическими (рис. 5).

Напор, м

121 ■

120 119 ' 118 117 116 -115 114

Фактические изменения напора Изменения напора на модели

Д5 » \

Д4 \

) 1 N

/ *

ч. Д2 /г \

— Д2'

Д1

70 Время, сут

Рис. 5. График изменения напоров, полученных в результате численного моделирования, в сопоставлении с фактическими (скважина 4470)

В результате моделирования установлены фильтрационные характеристики песчано-глинистых отложений (таблица).

Таблица

Литологическая разность Коэффициент фильтрации, м/сут Коэффициент упругоемкости, 1/м

Суглинок (вскрываемый тоннелем) ю-'-ю-3 ю-'-ю-5

Глины юМо4

Супеси КГ'-Ю' Ю-'-Ю"4

Если использовать зависимость (3), то согласно результатам моделирования коэффициент сжимаемости моренных отложений изменяется в пределах (Ю^-Ю"4) см2/кг.

Выполненный контроль гидростатических давлений в водонасыщен-ном массиве песчано-глинистых отложений позволил фиксировать практически все нештатные ситуации (остановку забоя, ремонтные работы, снижение или повышение давления на забое), оценить влияние скорости проходки на реакцию массива, а также контролировать условия безопасной подработки инженерных сооружений в массиве и на земной поверхности.

///защищаемое положение

Надежность прогнозов гидродинамическогорежима подземныхвод и оценок оседанийземной поверхности при строительном водопонижении обеспечивается за счет предлагаемого совершенствования структуры используемыхчисленныхмоделей иметодическихприемовмоделирования, учитывающихнеоднородностьмассивов песчано-глинистыхотложений по фильтрационным и деформационным свойствам.

Методика оценки условий строительства подземных сооружений неглубокого заложения в песчано-глинистых отложениях, разработана автором в результате комплексных гидрогеологических и гидрогеомеханиче-ских исследований, выполненных на участке проходки котлованов для строительства подземных станций метрополитена «Пл. Тукая» и «Суконная Слобода» в г. Казани.

Котлованы на ст. «Пл. Тукая» глубиной 25 м, длиной около 300 м при ширине около 80 м и на ст. «Суконная Слобода» глубиной 12 м, длиной около 230 м при ширине от 22 до 30 м вскрывают рыхлые песчано-глинистые четвертичные и неогеновые отложения, подстилаемые песчаниками и карбонатными породами пермского возраста. Четвертичные и неогеновые отложения представлены супесями, суглинками, глинами, песками, заторфованными породами, залегающими в виде не выдержанных по мощности пластов. Уровни грунтовых и подземных вод фиксируются на глубине 2-3 метров от земной поверхности.

Гидрогеологическая структура участков проходки котлованов представлена совокупностью двух водоносных комплексов:

- покровных техногенных, четвертичных и неогеновых отложений, представленных мягкими связными и рыхлыми песчаными породами;

- пермских отложений, представленных песчаниками и закарстован-ными карбонатными породами верхнеказанского и нижнеказанского подъ-ярусов.

Для предотвращения фильтрационных деформаций бортов и подошвы котлована на участке строительства станции «Пл. Тукая» планировалось снижение напоров в пермских и в покровных отложениях системой водо-понижающих скважин, а также сооружение непроницаемой «стены в грунте» вокруг котлована. Определенные опасения вызывали возможные оседания земной поверхности и деформации гражданских зданий при выполнении водопонижения в течение нескольких лет.

Комплексный подход к решению этой проблемы заключался в проведении следующих исследований:

- определение фильтрационных параметров по результатам опытно-фильтрационных работ с применением датчиков гидростатического давления и с интерпретацией экспериментов на базе современных компьютерных технологий;

- обоснование оптимальной производительности системы водопонижающих скважин на численных геофильтрационных моделях;

- прогноз снижения гидростатических давлений в песчано-глинистых отложениях при понижении напоров пермского водоносного комплекса;

- экспериментальное определение компрессионных характеристик глинистых пород;

- прогноз возможных деформаций породного массива и оседаний земной поверхности при водопонижении.

Для определения фильтрационных параметров пермского и четвертичного водоносных комплексов, а также условий их взаимосвязи, выполнена кустовая откачка. Опытный куст включал центральную (В1) и четыре наблюдательных скважины (HI, Н2, НЗ и Н4) на пермский горизонт, а также специальную скважину (Т1), оборудованную четырьмя датчиками гидростатического давления (рис. 6) в толще песчано-глинистых отложений.

При интерпретации результатов откачки с использованием программ AQUITEST и RELIS определена проводимость пермского комплекса, равная 3000:М2/сутки при коэффициенте пьезопроводности (5-105-106) М2/сутки. Благодаря информации, полученной по датчикам гидростатического давления, установлено, что в верхней части толщи песчано-глинистых отложений коэффициент фильтрации вкрест напластования составляет 2-10"2м/сутки, в нижней части - 2- 10-3 м/сутки.

Специфика схематизации для численного моделирования геофильтрационных процессов определялась необходимостью оценки скорости и максимальных снижений напоров в покровных отложениях для прогноза возможных их деформаций и оседаний земной поверхности.

Рис. 6. Схема опытного куста и геологическая колонка по скважине Т1 с указанием мест установки датчиков

Численная модель объекта представлена в разрезе тремя слоями: верхний и средний слои имитируют верхнюю и нижнюю части толщи покровных отложений, неоднородной по прочностным и фильтрационным параметрам, нижний слой - песчаники и известняки (пермский водоносный комплекс). Моделируемая территория площадью 4 км2 ограничена на севере излучиной реки Казанки (условие I рода), на юге - озером Кабан (условие III рода). По плошади развития водоносных комплексов задано ин-фильтрационное питание интенсивностью 2- 104 м/сутки (по результатам моделирования естественного режима подземных вод). Адекватность принятой схематизации реальным гидрогеологическим условиям контролировалась имитацией на модели гидродинамического режима при проведении кустовой откачки.

На численной модели оценена рациональная производительность дренажной системы (4200 м3/час) и выполнен прогноз неустановившегося гидродинамического режима (определены изменения напоров в трех слоях модели). Установлено, что стабильное напряженное состояние дренируемого массива песчано-глинистых пород устанавливается через 2-3 года с начала эксплуатации системы водопонижения (рис. 7).

Рис. 7. Распределение дополнительных эффективных напряжений (Да) в слоях I, И, III модели на различных расстояниях (L) от участка котлована к концу первого года (штриховая линия) и второго года (сплошная линия) водопонижения

Для оценки возможных пределов изменения напряженного состояния покровных отложений выполнено имитационное моделирование ряда гидродинамических схем, учитывающих возможные варианты профильной неоднородности этих отложений, представленных на моделях пятью слоями.

Установлены распределения дополнительных эффективных напряжений в выделенных слоях в зависимости от интенсивности инфильтрацион-ного питания и продолжительности водопонижения (рис. 8).

Рис. 8. Графики распределения дополнительных эффективных напряжений в дренируемом массиве

а) при интенсивности инфильтрации и = 103 м/сут (1) и <о =10"* м/сут(2), 6) при продолжительности водопонижения 3 года (1), 5 лет (2) и 10 лет (3) при инфильтрации 10' м/сут

Нестационарность гидродинамического режима в покровных отложениях определяет растянутость процесса деформируемости глинистых разностей пород и способствует снижению оседаний земной поверхности.

Расчеты компрессионного уплотнения песчано-глинистых отложений и оседаний земной поверхности с учетом скорости повышения эффективных напряжений выполнены кандидатом геолого-минералогических наук Кутеповой Н. А. Полученные результаты свидетельствуют о том, что водо-понижение неизбежно будет сопровождаться оседанием земной поверхности, которое может распространиться на расстояние до 1000 м от котлована с реализацией этого процесса в первые 2-3 года. Максимальное оседание, в непосредственной близости от котлована может составлять 14 см. Величина оседания по площади постепенно уменьшается, составляя 50% от максимального на расстоянии 500-600 м от котлована и менее 20 % - на расстоянии около 1 км. Рост оседаний во времени будет происходить неравномерно: в течение первого года реализуется 70 % от конечной величины, в течение второго года 85 %, стабилизация наступит через 3-4 года от начала водопонижения. На отдельных участках распространения торфов величины оседаний земной поверхности могут быть существенно больше среднего значения.

Результаты выполненных исследований послужили основанием для отказа от ранее планируемого строительного водопонижения в пользу сооружения непроницаемой стены в покровных отложениях и создания экрана в подошве котлована.

Аналогичные гидрогеологические исследования были проведены при проходке котлована для сооружения станции метрополитена «Суконная Слобода». Изменения гидростатических давлений в дренируемой толще фиксировались на начальной стадии строительного водопонижения, что позволило оптимизировать параметры дренажной системы и дать прогноз оседаний земной поверхности.

Для обеспечения надежности прогнозных оценок, эффективности и экологической безопасности горных работ при строительстве подземных сооружений в районах плотной городской застройки рекомендуется:

- при выполнении опытно-фильтрационных работ наблюдения за снижением напоров в водоносном комплексе и в покровных отложениях пес-чано-глинистого состава рекомендуется проводить по датчикам гидростатического давления, что дает возможность детально проанализировать начальный этап откачки и контролировать процесс перетекания между взаимодействующими горизонтами;

- оборудованная датчиками наблюдательная станция может быть использована для оценки эффективности строительного водопонижения и корректировки прогнозных оценок деформации толщи пород при снижении гидростатических давлений;

- для оценки фильтрационных характеристик глинистых пород, играющих определяющую роль при деформации толщи в ходе строительного водопонижения, целесообразно использовать программу RELIS;

- для прогноза дополнительных эффективных напряжений в толще песчано-глинистых отложений трехмерная численная геофильтрационная

модель должна быть представлена несколькими слоями, имитирующими профильную неоднородность этой толщи по прочностным и фильтрационным свойствам;

- дополнительные эффективные напряжения, оцененные в выделенных слоях, следует использовать для прогноза осредненных оседаний поверхности дифференцировано по рассматриваемой территории;

- для оценки возможных пределов изменения напряженного состояния покровных отложений рекомендуется использовать одномерные профильные модели, учитывающие различные варианты профильной неоднородности слоистых песчано-глинистых толщ;

- при прогнозе деформаций покровных отложений необходимо учитывать скорость изменения дополнительных эффективных напряжений, которая определяет растянутость процесса деформируемости глинистых разностей пород, и способствует снижению оседаний земной поверхности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена актуальная научно-техническая задача по разработке гидрогеологического обеспечения горных работ при строительстве подземных сооружений.

Основные научные выводы и практические результаты исследований, выполненных автором, заключаются в следующем.

1. Разработаны и реализованы научно-методические принципы организации и проведения гидрогеологического мониторинга, контролирующего безопасность строительства и эксплуатации транспортных тоннелей в водонасыщенных песчано-глинистых отложениях.

2. Внедрена на участке «Размыв» Санкт-Петербургского метрополитена разработанная методика натурных наблюдений за гидродинамическим режимом и методика интерпретации результатов наблюдений с оценкой напряженно-деформированного состояния неоднородного песчано-глинистого массива.

3. Установлены закономерности изменения напряженного состояния водонасыщенных песчано-глинистых отложений при сооружении в них тоннелей проходческим комплексом с гидропригрузом забоя.

4. Проведено изучение гидрогеомеханических условий сооружения подземных станций метрополитена в районе плотной застройки в г. Казани. Разработаны численные геофильтрационные модели для обоснования параметров строительного водопонижения и прогноза сопутствующих деформаций толщи песчано-глинистых отложений и оседаний земной поверхности.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Норватов Ю. А., Петрова И. Б., Назима В. В. Гидрогеомеханиче-ское обеспечение горных работ при строительстве подземных сооружений //

Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики: Сб. докл. конференции. - СПб. - 2002. - С. 322-329.

2. 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.

3. Назима В. В., Степанова А. С. Использование современных технических средств для повышения информативности гидрогеомеханического мониторинга на аварийном участке трассы Санкт-Петербургского метрополитена («Лесная» - «Пл. Мужества») // Сб. тр. молодых ученых ВНИМИ (по материалам конференции). - СПб.: ВНИМИ, 2003 - С. 45-49.

4. Норватов Ю. А., Петрова И. Б., Назима В. В. Гидрогеомеханиче-ский мониторинг на аварийном участке Санкт-Петербургского метрополитена // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. -2003.-№6.-С. 556-560.

5. Норватов Ю. А., Петрова И. Б., Назима В. В., Русанов И. В. Мониторинг гидрогеомеханических процессов на аварийном участке Санкт-Петербургского метрополитена // Записки Горного института. Проблемы современной инженерной геологии. - Т. 153. - СПб., 2003. - С. 194-196.

6. Норватов Ю. А., Петрова И. Б., Степанова А. С, Назима В. В.

Применение численных геофильтрационных моделей для обоснования дренажных мероприятий на полях затапливаемых шахт // Сб.: Перспективы использования геоинформационных технологий для безопасной отработки МПИ. - СПб.: ВНИМИ, 2001. - С. 60-67.

Печатный цех ВНИМИ Заказ 3. Тираж 100 1,25 печ л

25. 00

2 ? ft? ?ms

1233

Л'4 «я, * >

/ I ' ff

/ Г > V

I \ > с f ¿ •

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Назима, Вячеслав Викторович

Введение

Глава 1 Состояние изученности вопроса

Глава 2 Организация гидрогеологического мониторинга на участке «Размыв» Санкт-Петербургского метрополитена

2.1 Геологическое и гидрогеологическое строение участка

2.2 Развитие гидрогеомеханических процессов при эксплуатации транспортных тоннелей

2.3 Организационные и методические принципы гидрогеологического мониторинга

2.4 Технические средства, используемые для оценки напряженно деформируемого состояния водонасыщенных массивов

2.5 Общие закономерности естественного гидродинамического режима

2.6 Рекомендации по организации гидрогеологического мониторинга

Глава 3 Результаты наблюдений за изменениями гидродинамического режима на участке «Размыв» и их интерпретация

3.1 Зависимость гидростатического давления в пласте от изменений атмосферного давления

3.2 Напряженное состояние массива до начала проходки тоннелей

3.3 Результаты наблюдений за изменением гидростатического давления при строительстве тоннелей на участке «Размыв»

3.4 Интерпретация результатов режимных наблюдений на численных геофильтрационных моделях

Глава 4 Гидрогеологические исследования при проходке котлованов для сооружения станций метрополитена в г. Казани

4.1 Геологическое строение изучаемой территории и гидрогеологические условия проходки котлованов

4.2 Гидрогеологические исследования при проходке котлована для сооружения станции метрополитена «Площадь Тукая»

4.2.1 Интерпретация результатов опытной кустовой откачки

4.2.2 Прогнозная оценка гидростатических давлений при строительном водопонижении с использованием численного моделирования

4.2.3. Оценка изменений напряженного состояния породных массивов при водопонижении

4.3 Гидрогеологические исследования при проходке котлована для сооружения станции метрополитена «Суконная Слобода»

4.3.1 Интерпретация результатов опытно-эксплуатационного водопонижения, проведенного на участке проектируемой станции «Суконная слобода»

4.3.2 Определение оптимальных параметров водопонижающих скважин и прогноз уровенного режима водоносных комплексов

4.3.3 Оценка изменений напряженного состояния породных массивов при водопонижении

4.4 Рекомендации по проведению гидрогеологических исследований при проходке котлованов в песчано-глинистых отложениях

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Гидрогеологическое обеспечение горных работ при строительстве подземных сооружений в песчано-глинистых отложениях"

Актуальность проблемы

Гидрогеологическое обеспечение горных работ при строительстве подземных сооружений представляет совокупность гидрогеологических экспериментов и наблюдений, а также последующую интерпретацию их результатов и обоснование оптимальных технических решений по управлению режимом подземных вод.

Идеи и принципы гидрогеомеханического подхода при анализе напряженного состояния водонасыщенных массивов горных пород реализовывались многими учеными и специалистами практиками.

Большой вклад в становление и развитие гидрогеомеханики внесли Герсеванов Н.М., Павловский Н.Н., Терцаги К., Маслов Н.Н., Веригин Н.Н., Мироненко В.А., Шестаков В.М., Зарецкий Ю.К., Маньковский Г.И., Гальперин A.M., Норватов Ю.А., Кутепов Ю.И., Оловянный А.Г., Стрельский Ф.П., Панчуков Н.П., Подольский В.А. и др.

Методика натурных наблюдений и экспериментов, выполняемых при изучении гидродинамических и геомеханических процессов в массивах горных пород сложной структуры, неоднородных по литологическому составу, механическим свойствам и проницаемости, нуждается в дальнейшем совершенствовании. Наряду с рассмотрением принципов натурных исследований необходимо также дальнейшее развитие методики интерпретации их результатов на базе современных компьютерных технологий. Анализ результатов гидрогеологических исследований на конкретных объектах позволил установить некоторые ранее неизвестные закономерности геофильтрационных и гидрогеомеханических процессов, обосновать методические рекомендации по аспектам схематизации, моделирования и прогноза этих процессов.

Цель работы

Разработка методики проведения гидрогеологических изысканий и исследований для обоснования инженерных мероприятий, обеспечивающих безопасность строительства подземных сооружений.

Задачи исследований разработать научно-методические принципы организации и проведения гидрогеологического мониторинга, обеспечивающего безопасность строительства подземных сооружений; изучить в натурных условиях техногенный режим подземных вод и закономерности изменения напряженного состояния водонасыщенных неоднородных массивов песчано-глинистых пород при проходке транспортных тоннелей с гидропригрузом забоя; разработать рекомендации по совершенствованию структуры численных геофильтрационных моделей и методических приемов моделирования для повышения надежности прогнозов гидродинамического режима и оценок оседания земной поверхности при строительном водопонижении; разработать практические рекомендации по гидрогеологическому обеспечению горных работ при строительстве подземных сооружений.

Методы исследований

Комплексный метод исследований, включающий анализ геологических и гидрогеологических условий развития техногенных геофильтрационных и гидрогеомеханических процессов, натурные наблюдения за этими процессами, натурные эксперименты, численное моделирование изучаемых процессов.

Научные положения, защищаемые в диссертации 1.При сооружении транспортных тоннелей в водонасыщенных песчано-глинистых отложениях проходческими комплексами с гидропригрузом забоя система мониторинга должна включать наблюдения за гидростатическими давлениями во всех элементах гидрогеологической структуры, что позволяет оценить гидрогеомеханическое состояние толщи для контроля безопасности горных работ.

2. Проходка тоннелей в фильтрационно-неоднородных песчано-глинистых моренных отложениях специализированным комплексом с гидропригрузом забоя сопровождается изменением гидродинамического режима подземных вод и напряженного состояния массива в зоне, размеры которой не превышают 50 метров по простиранию отложений, а в разрезе ограничены положением водоносных горизонтов, залегающих в кровле и подошве моренных отложений.

Научная новизна работы установлены основные закономерности изменения гидродинамического режима и напряженного состояния водонасыщенных песчано-глинистых отложений при сооружении в них тоннелей проходческим комплексом с гидропригрузом забоя; теоретически обоснована связь изменений гидростатических давлений в безнапорных водоносных комплексах с изменениями атмосферного давления; разработаны научно-методические принципы организации гидрогеологического мониторинга при строительстве и эксплуатации подземных сооружений; разработаны научно-методические принципы построения численных моделей, обеспечивающих совместное изучение и прогноз геофильтрационных и гидрогеомеханических процессов.

Личный вклад автора: разработка методики гидрогеологических наблюдений при проходке тоннелей в песчано-глинистых отложениях; оборудование станций режимной сети на участке «Размыв» Санкт-Петербургского метрополитена; проведение наблюдений по станциям режимной сети, создание базы данных; разработка численных геофильтрационных моделей, имитирующих условия проходки тоннелей с гидропригрузом забоя; разработка рекомендаций по методике численного моделирования геофильтрации для прогноза оседания земной поверхности.

Достоверность разработанных научных положений и выводов подтверждается: эффективной долговременной (в течение шести лет) эксплуатацией наблюдательных станций при проведении гидрогеологического мониторинга на участке восстановления движения 1-й линии Санкт-Петербургского метрополитена; проведением натурных наблюдений и экспериментов; интерпретацией результатов натурных исследований на численных геофильтрационных моделях.

Практическое значение работы разработанная методика гидрогеологического мониторинга рекомендуется при выполнении горных работ при строительстве подземных сооружений различного назначения; рекомендации по методике опытно-фильтрационных работ и структуре численных геофильтрационных моделей целесообразно использовать при обосновании параметров строительного водопонижения в районах плотной городской застройки с учетом возможных оседаний земной поверхности; практическая реализация разработанных инженерных решений при проходке строительных котлованов в г. Казани.

Реализация работы

Основные результаты работы использованы при организации и проведении гидрогеологического мониторинга при проходке транспортных тоннелей на участке восстановления движения от ст. «Лесная» до ст. «Пл. Мужества» Санкт-Петербургского метрополитена и проведении комплексных гидрогеологических исследований на участках строительства подземных станций «Пл. Тукая» и «Суконная слобода» метрополитена в г. Казани.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на конференции молодых ученых ВНИМИ (2001 г.), на всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Геологи XXI века» (г. Саратов, 2002 г.), на 11 ежегодной конференции «Толстихинские чтения» (СПГГИ, 2002 г).

Публикации

По теме диссертации опубликованы 6 статей.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю - член-корреспонденту Российской академии естественных наук профессору Норватову Ю.А. и кандидату геолого-минералогических наук Петровой И.Б. Автор считает своей приятной обязанностью поблагодарить доктора технических наук Кутепова Ю.И., кандидата геолого-минералогических наук Кутепову Н.А., кандидата геолого-минералогических наук Русанова И.В. и весь коллектив лаборатории гидрогеологии и экологии ВНИМИ за содействие в проведении исследований, полезные советы и конструктивные замечания, высказанные при обсуждении результатов работы.

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА и

Гидрогеологическое обеспечение горных работ при строительстве подземных сооружений, в том числе — транспортных тоннелей и подземных станций метрополитенов, подразумевает совокупность гидрогеологических экспериментов и наблюдений с последующей интерпретацией их результатов и обоснованием оптимальных технических решений по управлению режимом подземных вод.

К основным задачам гидрогеологического обеспечения горных работ относятся [14]: установление общих закономерностей техногенного режима подземных вод при строительстве и эксплуатации подземных сооружений; изучение фильтрационных процессов, определение фильтрационных параметров и оценка условий питания водоносных горизонтов, дренируемых в ходе горных работ или подлежащих охране; прогноз водопритоков в горные выработки, обоснование дренажных мероприятий и определение параметров дренажных систем, контроль эффективности дренажных мероприятий; изучение и прогноз механических процессов, развивающихся в водонасыщенных массивах горных пород при ведении горных работ.

Перечисленные задачи решаются с использованием натурных наблюдений и экспериментов, аналитических расчетных методов, численного моделирования фильтрационных процессов.

Теоретические основы и методические принципы гидрогеологического обеспечения горных работ разрабатываются в рамках прикладного направления - горнопромышленной гидрогеологии. Научно-методические основы горнопромышленной гидрогеологии разработаны Д.И. Щеголевым, С.В. Троянским, С.П. Прохоровым, Г.Г. Скворцовым, М.В. Сыроватко,

С.К. Абрамовым, М.С. Газизовым, В.А. Мироненко, В.Д. Ломтадзе, И.Е. Жерновым, Ю.А. Норватовым и др.[1, 2, 38, 47, 48, 87, 90, 91].

Изучение гидрогеологических условий строительства и эксплуатации транспортных тоннелей и подземных станций метрополитена напрямую связано с горнопромышленной гидрогеологией, но имеет и ряд специфических особенностей в отличие от условий строительства шахт и карьеров, вскрывающих преимущественно полускальные породы.

При строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей метрополитена изменяется режим подземных вод и напряженное состояние подработанного массива. Наиболее сложные геофильтрационные и гидрогеомеханические процессы развиваются при строительстве тоннелей в песчано-глинистых породах. Эти породы под воздействием гидростатического взвешивания и гидродинамического давления склонны к оплыванию, суффозии, тиксотропному разжижению. При недостаточном внимании к гидрогеомеханическим процессам возможны внезапные прорывы воды или водонасыщенных рыхлых пород в горные выработки, нарушения технологического регламента, тяжелые аварийные ситуации [18, 49, 97].

При вскрытии песчано-глинистых пород котлованами для обеспечения устойчивости откосов, как правило, проводят строительное водопонижение. Снижение уровней подземных вод в процессе проходки котлованов в песчано-глинистых породах для строительства подземных сооружений сопровождается оседаниями земной поверхности, что представляет серьезную опасность для районов жилой застройки.

Следовательно, для обоснования инженерных мероприятий по управлению режимом подземных вод и напряженным состоянием массивов горных пород при проходке тоннелей и строительстве подземных станций метрополитенов необходим надежный прогноз взаимосвязанных гидродинамических и геомеханических процессов. Плодотворность анализа и прогноза этих процессов может быть обеспечена при совместном их рассмотрении в рамках единого гидрогеомеханического подхода к их изучению и схематизации.

Идеи и принципы гидрогеомеханического подхода при анализе напряженного состояния водонасыщенных массивов горных пород разрабатывались и реализовывались многими учеными и специалистами — практиками.

Большой вклад в становление и развитие гидрогеомеханики внесли Герсеванов Н.М. [15], Павловский Н.Н., Терцаги К. [88], Маслов Н.Н., Веригин Н.Н., Мироненко В.А., Шестаков В.М. [42], Зарецкий Ю.К., Цытович Н.А. [21, 95] и другие ученые.

Идеи и принципы гидрогеомеханического анализа были впервые сформулированы академиком Н. М. Герсшзановым [15], труды которого содержат глубокий комплексный анализ проблем фильтрации и механики грунтов. В работах К. Терцаги [88] впервые рассмотрено силовое влияние воды на напряженно-деформированное состояние горных пород при строительстве различных инженерных сооружений. Однако теоретическое обоснование принципов, используемых К.Терцаги, было предложено ранее Остроградским и Гауссом, сформулировавшими теорему об эквивалентности объемных сил архимедова взвешивания и гидродинамического давления внешним гидростатическим силам.

Использование термина гидрогеомеханика для обозначения нового научно-прикладного направления, рассматривающего основы механики водонасыщенных горных пород применительно к проблемам гидрогеологии и инженерной геологии, было предложено в монографии В.А. Мироненко и В.М. Шестаковым [42]. В монографии были обоснованы идеи, принципы, предмет и задачи гидрогеомеханики как науки и рассмотрены ее прикладные направления. Авторы рассмотрели физико-механические основы прочности и деформируемости горных пород, а также геофильтрационных процессов, подчеркивая связь основных законов деформирования и фильтрации с природными свойствами содержащейся в порах воды. Большое внимание было уделено теоретическим основам изучения гидрогеомеханических процессов. Методы изучения напряженно-деформируемого состояния и устойчивости массивов горных пород рассмотрены в тесной связи с условиями формирования фильтрационного потока. В рамках единой теории изложены закономерности процессов фильтрационной консолидации грунтов и упругого режима движения подземных вод.

В работах Н.М. Герс1йанова, Д.Е. Полынина, Ю.К. Зарецкого и Н.А. Цытовича и др. рассмотрены теоретические основы консолидации пород глинистого состава, определены закономерности этого нелинейного процесса, характеризующегося изменением деформационных и фильтрационных свойств глинистых пород при их уплотнении [21, 95].

В трудах Н.Н. Веригина рассматривались закономерности нестационарных гидрогеомеханических процессов с учетом изменения фильтрационных и деформационных свойств песчано-глинистых и полускальных пород при депрессионном уплотнении и развитии процессов растворения солей [9, 10].

При формулировании теоретических основ инженерной геологии Н.Н. Масловым большое внимание уделено силовому влиянию подземных вод на устойчивость горных пород в процессе строительства различных инженерных сооружений [41].

Анализ фундаментальных работ в области гидрогеомеханики позволяет сформулировать основные ее теоретические и научно-методические принципы.

Основным объектом изучения в гидрогеомеханике является массив водонасыщенных горных пород, рассматриваемый в наиболее общей постановке как единая механическая система (горные породы вместе с фильтрующимися подземными водами).

При гидрогеомеханическом анализе напряженного состояния массивов горных пород важнейшей их характеристикой является водонасыщенность.

Вода содержится в трещинах и в породных блоках массивов в различных видах. Различают физически связанную и свободную воду. С позиций гидрогеомеханики, принципиальное различие между этими видами воды в горных породах является способность свободной воды передавать гидростатическое давление, а следовательно непосредственно влиять на напряженное состояние водонасыщенных массивов горных пород. Физически связанная или молекулярная вода не передает гидростатического давления, однако, наличие ее в горных породах влияет на их плотность и проницаемость, поэтому также должно учитываться при гидрогеомеханическом анализе состояния массивов горных пород. Физически связанная вода содержится в породах глинистого состава; максимальное весовое содержание связанной воды в суглинках может достигать 25%, в глинах — 25% - 40%. Глинистые породы могут содержать только связанную воду, что делает их практически непроницаемыми при градиентах напора менее начальных. Реальные массивы горных пород глинистого состава чаще всего характеризуются генетической трещиноватостью, при которой при наличии в породных блоках только связанной воды возможно движение свободной воды или передача гидростатического давления по системе трещин.

Таким образом, роль воды в формировании напряженного состояния массивов горных пород может быть различной в зависимости от степени водонасыщения массива и вида воды в системе трещин или породных блоков.

Как известно, в теории напряжений все силы, приложенные к любому телу, подразделяют на объемные и поверхностные (внешние). Объемными силами являются силы тяжести (гравитационная), сила гидродинамического давления, сила гидростатического (архимедова) взвешивания.

Движение подземных вод в породных массивах существенно влияет на их напряженное состояние, которое формируется в зависимости от соотношения и взаимного влияния объемных гравитационных, гидродинамических сил и сил гидростатического взвешивания.

Гидростатические силы ориентированы вертикально вверх. Гидродинамические силы ориентированы по направлению фильтрационного потока в разных элементах рассматриваемого массива горных пород. Величина гидродинамической силы, действующей в каждом единичном объеме фильтрующего массива, определяется зависимостью: г» г Ж где / — градиент напора Н в рассматриваемом элементе; dH — изменение напора на отрезке пути фильтрации dl в элементе

Внешними силами для массивов горных пород могут быть силы веса зданий и сооружений, тектонические силы, приложенные к массиву по границам выделенного объема. Действию объемных и внешних сил по любой площадке в массиве горных пород противостоят внутренние силы, называемые напряжениями, если они отнесены к единице площади. Напряжения могут быть определены как реакция на действие силы, равной геометрической сумме всех объемных и внешних сил.

Согласно схеме-модели, предложенной в двадцатые годы прошлого столетия К. Терцаги, напряженное состояние водонасыщенного массива горных пород, содержащего свободную воду, характеризуется совокупностью трех составляющих:

-полным напряжением fcrj; -эффективным напряжением (<уЭф); -нейтральным напряжением (crj.

Указанные виды напряжений можно относить к любой точке массива (точнее - к ориентированному сечению единичной площади). Эти составляющие связаны следующим^ соотношением:

0~п=0-эф+СГн (1.1)

Соотношение (1.1) справедливо как при статическом состоянии свободной воды в водонасыщенном массиве горных пород так и при движении (фильтрации) воды в этом массиве.

Обычно полное напряжение в любой точке массива соответствует геостатическому давлению, равному весу столба пород над этой точкой вместе с весом заключенной в этих породах водой (во всех видах). Если на земной поверхности над расчетной точкой имеется инженерный объект, водоем или водоток, то полное давление под ними должно быть определено суммированием геостатического давления и веса объекта, водоема (отнесенного к единичной площади). При наличии тектонических или сейсмических сил полное давление определяется с учетом их интенсивности и направленности по отношению к выделенной элементарной площадке. Полное давление может быть замерено непосредственно в водонасыщенном массиве лишь в том случае, если оно действует на абсолютно непроницаемый экран (например, на непроницаемую крепь горных выработок).

Нейтральное напряжение однозначно определяется гидростатическим давлением воды в расчетной точке, которое действует с одинаковой интенсивностью по всем направлениям. Нейтральное напряжение при его изменении практически не вызывает перестройки структуры породных блоков (формоизменения скелета горных пород) в силу пренебрежимо малой сжимаемости минеральных частиц. Таким образом, оценка напряженного состояния массива по формуле (1.1) возможна без непосредственного учета объемной силы гидродинамического давления, определение которой в реальных условиях затруднительно.

Созданная теоретическая база послужила дальнейшему развитию и совершенствованию научно-методических основ гидрогеомеханики с учетом специфики прикладных ее направлений. Так, в работах Г.Л. Фисенко вопросы устойчивости бортов карьеров рассматривались с обязательным учетом в расчетных геомеханических схемах силового влияния подземных вод на напряженное состояние пород в прибортовых массивах. Г.И. Маньковский также уделял внимание роли подземных вод при рассмотрении различных аспектов горной геомеханики [40]. В работах С.А. Роза и Н.Н. Веригина, посвященных инженерно-геологическим основам гидротехнического строительства, рассмотрены фильтрационные деформации в основании плотин, консолидация грунтов под нагрузками в теле и в основании земляных плотин [10, 81]. А.М.Гальпериным [23] и Ю.И. Кутеповым рассматривались и изучались процессы консолидации песчано-глинистых пород при намыве гидроотвалов и при нагружении гидроотвалов отвалами сухих пород на угольных и рудных карьерах [32]. В работах Ф.П. Стрельского рассматривался механизм образования прорывов подземных вод и водонасыщенных пород в горные выработки в связи с изменением напряженного состояния массива при очистных работах на угольных месторождениях [62]. Н.П. Панчуковым выполнены наблюдения за изменением напряженного состояния песчано-глинистых пород на шахтах Подмосковного угольного бассейна и разработана совместно с В.А. Подольским компьютерная программа, позволяющая проводить анализ и прогноз гидрогеомеханических процессов при различной технологии очистных горных работ [78, 79, 80]. Ю.А. Норватовым рассматривались различные схемы дренирования прибортовых массивов на карьерах с целью управления устойчивостью бортов, также анализировались изменения напряженного состояния породных массивов и их деформации при затоплении угольных шахт [54, 55]. А.Г. Оловянным совместно с Ю.А. Норватовым разработана компьютерная программа, позволяющая решать разнообразные задачи горного дела с учетом влияния гидростатического взвешивания горных пород и гидродинамического давления на их напряженно-деформируемое состояние [65, 70]. Многосторонняя оценка процессов фильтрационной консолидации глинистых пород за счет глубокого водопонижения при проходке шахтных стволов выполнялась в работах С.И. Журина [72]. Закономерности сдвижения горных пород, сопровождающего оседания толщ при глубоком водопонижении рассматривались Н.Н. Канцельсоном, Н.М. Никольской, В.Ф. Дробышевым [27, 29]. Гидрогеомеханические процессы, развивающиеся при добыче нефти и газа, рассматривались в последнее время в теоретическом и научно-методическом плане В.А. Черных [96]. Основное внимание в работах В.А. Черных уделено учету дискретности и структуры массивов горных пород при оценке их напряженно-деформированного состояния.

Основные положения гидрогеомеханики необходимо учитывать при комплексном изучении и прогнозе геофильтрационных и геомеханических процессов, сопутствующих строительству подземных сооружений.

Изучение режима и баланса подземных вод является одним из важнейших направлений гидрогеологических исследований, которые выполняются посредством натурных наблюдений. При этом под режимом подземных вод понимают процесс, характеризующийся изменением уровней, расходов, скорости, температуры, химического и газового состава подземных вод во времени и в пространстве.

Различают естественный и нарушенный (техногенный) режим подземных вод. В результате натурных наблюдений за режимом подземных вод определяется ряд гидрогеологических характеристик водоносных горизонтов: коэффициенты фильтрации и водоотдачи, интенсивность инфильтрационного питания, характеристики связи с водотоками, экстремальные уровни, годичные и многолетние изменения температуры, химического состава, амплитуд колебаний уровня. Исследования режима подземных вод подразделяются на региональные и специализированные. Региональные исследования направлены на изучение естественного режима основных водоносных горизонтов с целью установления общих закономерностей для прогнозов общего использования многими потребителями. Специализированные исследования и прогнозы режима подземных вод выполняются для решения конкретных инженерных и других прикладных задач.

Таким образом, гидрогеологические наблюдения (или мониторинг) можно подразделить на региональные и локальные.

При производстве горных работ для строительства подземных сооружений важнейшим звеном гидрогеологического обеспечения [44, 47, 53] является мониторинг.

В отличие от гидрогеологических наблюдений мониторинг является более широким понятием. Согласно апробированным представлениям, гидрогеологический мониторинг должен быть представлен следующими взаимосвязанными элементами: организация режимной сети и проведение систематических наблюдений за режимом подземных вод; интерпретация результатов наблюдений; прогнозные оценки развития техногенного режима подземных вод; разработка рекомендаций по управлению режимом подземных вод с целью обеспечения производственной и экологической безопасностью горных работ, строительного водопонижения и строительства подземных сооружений.

Теоретические и научно-методические основы региональных гидрогеологических наблюдений разрабатывались в трудах Г.Н. Каменского [25, М.Е. Альтовского [3], А.В. Лебедева [35], С.М. Семеновой [24, 25], B.C. Ковалевского [30], Н.И. Толстихина [89], В.М. Шестакова, А.А. Коноплянцева [31], Н.М. Фролова и других крупных ученых - гидрогеологов.

Научно-методические принципы проведения локальных гидрогеологических наблюдений, предназначенных для решения конкретных задач, разрабатывались в течение ряда десятилетий многими специалистами -гидрогеологами. В частности, принципы гидрогеологических наблюдений для оценки условий эксплуатации месторождений подземных вод разрабатывались

J1.C. Язвиным [101], Ф.М. Бочевером [6, 7], Б.В. Боревским [5] Р.С. Штенгеловым [100], И.С. Зекцером, И.С. Пашковским [73], И.К. Гавич [12], Н.Н. Плотниковым [77].

Методические вопросы, связанные с постановкой и интерпретацией гидрогеологических наблюдений для решения задач мелиорации земель, рассматривались в трудах И.Е. Жернова, А .Я. Олейника, А.В. Лебедева, Н.С. Огняника [69], Д.М. Каца и других исследователей [8].

Научно-методические аспекты постановки гидрогеологических наблюдений при строительстве и эксплуатации горнопромышленных предприятий разрабатывались В.А. Мироненко [16], В.М. Шестаковым, И.Е. Жерновым [19, 20], Ю.А. Норватовым [53].

Специфика гидрогеологических наблюдений на объектах гидротехнического строительства отражена в ряде работ Н.Н. Павловского, Н.Н. Веригина [11], В.М. Шестакова, В.И. Аравина [4].

Научно-методические основы организации наблюдений, связанных с охраной подземных вод от загрязнения, разрабатывались В.М. Шестаковым [98, 99], В.М. Гольдбергом [17], А.А. Рошалем [82], В.М. Мироненко, В.Г. Румыниным [45], В.А. Грабовниковым.

Общим принципом организации гидрогеологического мониторинга является его обратная связь с решаемыми инженерными задачами [42, 44, 99]. В этом плане гидрогеологический мониторинг на участках строительства подземных сооружений должен быть организован с учетом его главной цели — контроль безопасности горных работ, строительства и эксплуатации тоннелей и подземных станций метрополитенов.

На горнодобывающих предприятиях гидрогеологический мониторинг в основном направлен на решение следующих задач: уточнение гидрогеологических условий эксплуатации месторождения; оценка эффективности дренажных мероприятий; изучение техногенного режима подземных вод с целью уточнения гидрогеологических параметров водоносных горизонтов, условий их питания и разгрузки.

Строительство подземных сооружений метрополитена неглубокого (до 100 м) заложения, как правило, связано с вскрытием водонасыщенных песчано-глинистых отложений при проходке котлованов или тоннелей. При выполнении горных работ в этих условиях происходит нарушение естественного режима подземных вод и развитие гидрогеомеханических процессов.

Для обеспечения нормальных условий строительства и эксплуатации транспортных тоннелей с применением традиционных технологий обычно выполняются дренажные мероприятия для ограничения гидростатического давления на обделку тоннелей. Нормативная величина допустимого давления на обделку тоннелей устанавливается при анализе конкретных геологических, гидрогеологических и сейсмических условий с учетом конструктивных особенностей обделки. Например, при строительстве Северомуйского тоннеля глубокого заложения (на глубине до 900 м) в условиях повышенной сейсмичности района строительства и наличия рыхлых пород в зонах тектонических нарушений, пересекаемых тоннелем, допустимые гидростатические давления не превышали 3 атмосферы (0.3 МПа), а при эксплуатации тоннеля не должны были превышать 1 атмосферы. Снижение давлений на обделку тоннеля по проекту должно было достигаться с помощью кустов восстающих самоизливающих скважин. Однако замеры гидростатических давлений манометрами, установленными на устьях скважин, не обеспечивали контроль нормируемых давлений на участках между дренажными кустами. На этих участках массив горных пород представлен слабопроницаемыми породами, в которых замеры гидростатических давлений обычными пьезометрами открытого типа невозможен в силу высокой инерционности этих устройств в породах глинистого состава.

При проходке тоннелей неглубокого заложения, а также строительных котлованов, в песчано-глинистых отложениях проблема замеров гидростатических давлений с целью оценки напряженного состояния массива становиться особенно острой.

Традиционный подход к организации гидрогеологического мониторинга предполагает оборудование открытых пьезометров на основные водоносные пласты. Однако такие пьезометры не позволяют оценивать гидростатические давления и соответствующее напряженное состояние слабопроницаемых песчано-глинистых отложений. В этой ситуации для организации гидрогеологического мониторинга могут быть использованы датчики гидростатического давления, позволяющие не только оценивать изменения гидродинамического режима дренируемых комплексов на объекте исследований, но и определять изменения напряженного состояния отдельных элементов этих комплексов, представленных наиболее «податливыми» глинистыми породами.

Идея использования датчиков гидростатического (порового) давления не нова. Датчики гидростатического (порового) давления первоначально были использованы сотрудниками ВНИМИ О.Ю. Крячко и И.Г. Котовым для оценки напряженного состояния глинистых пород в гидроотвалах. Затем эта аппаратура применялась при полевых гидрогеологических исследованиях условий разработки угольных пластов под водными объектами. Исследования Стрельского Ф.П. [85, 86], Леванькова Б.И., Рюмина А.Н., Миронова А.С. [36] показали эффективность их использования при оценке безопасной глубины подработки водных объектов при выемке свиты пластов в Кузбассе, Карагандинском угольном бассейне, Донбассе, на шахтах Интинского и Воркутинского угольных бассейнов. В комплексе с датчиками температуры подземных вод впервые была разработана и апробирована методика оценки вертикальной проницаемости пород подрабатываемого массива.

В инженерно-геологических исследованиях датчики гидростатического (порового) давления были применены Крячко О.Ю. и Кутеповым Ю.И. при изучении условий размещения отвалов сухих пород на территориях гидроотвалов. В работах Кутепова Ю.И., Кутеповой Н.А. [33, 34] рассмотрена методика измерений порового давления в намывных породах и естественных отложениях оснований отвальных сооружений, включающая способы установки датчиков, оценку инерционности системы измерений, схемы размещения аппаратуры в массивах, экспериментальные методы изучения порового давления - опробование (периодическое зондирование, опытно-промышленные эксперименты) и мониторинговые исследования применительно к решению задач по оценке устойчивости откосов и рекультивации гидроотвалов и отвалов.

В этих условиях мониторинговые исследования применяются в основном для контроля устойчивости откосов сооружений. Они входят в состав системы гидрогеомеханического мониторинга безопасности гидротехнических сооружений, в рамках которого осуществляются регулярные наблюдения за изменением порового давления в призме возможного оползания внешних откосов с последующей оценкой коэффициента запаса устойчивости по данным наблюдений [33, 34].

В последние годы в период реструктуризации угольных шахт датчики гидростатического давления эффективно используются для контроля режима затопления горных выработок. Такие наблюдения в настоящее время проводятся при ликвидации угольных шахт в Кузбассе, на Воркутинском и Интинском месторождениях. Так, на Анжеро-Судженском геодинамическом полигоне, созданном ВНИМИ на шахтных полях двух ликвидируемых шахт, 11 скважин оборудованы датчиками гидростатического (порового) давления.

В диссертационной работе предлагается использовать датчики гидростатического (порового) давления для контроля напряженного состояния всех элементов породного массива при проходке транспортных тоннелей в песчано-глинистых водонасыщенных породах специализированным комплексом с гидропригрузом забоя.

Научно-методические основы организации системы мониторинга при сооружении транспортных тоннелей в водонасыщенных песчано-глинистых отложениях проходческими комплексами с гидропригрузом забоя ранее практически не были разработаны.

Важной составляющей гидрогеологического обеспечения горных работ при строительстве подземных сооружений является определение фильтрационных параметров и оценка условий питания водоносных горизонтов, дренируемых в процессе ведения горных работ.

Основным натурным экспериментом, предназначенным для оценки фильтрационных параметров неоднородных массивов песчано-глинистых отложений, является опытная кустовая откачка. Проведение опытно-фильтрационных работ в этом случае традиционно ориентировано на определение фильтрационных параметров основных водоносных горизонтов и направлено на прогноз водопритоков в горные выработки, обоснование дренажных мероприятий и определение параметров дренажных систем. Исследования влияния слабопроницаемых слоев на закономерности фильтрационных процессов проводятся, в основном, для учета взаимосвязи водоносных горизонтов с целью надежной оценки параметров этих горизонтов.

В сложных гидрогеологических условиях проходка котлованов зачастую требует организации водопонижения. Водопонижение в толщах, представленных переслаиванием песчаных водоносных слоев и слабопроницаемых глинистых пластов, характеризующихся повышенной сжимаемостью, сопровождается уплотнением в основном глинистых слоев относительных водоупоров за счет развития процессов фильтрационной консолидации и ползучести податливого скелета глин. В этой связи большое значение для оценки условий депрессионного уплотнения неоднородных песчано-глинистых толщ имеют фильтрационные параметры (проницаемость и емкостные свойства) глинистых разностей слабопроницаемой песчано-глинистой толщи. Эта информация должна быть получена по результатам опытных откачек с применением датчиков гидростатических давлений, установленных не только в водоносных пластах, но и в глинистых относительных водоупорах.

Впервые идея использования малоинерционных пьезометров для замера гидростатических давлений в глинистых породах была предложена в работах Н.М. Герсеванова, а затем С.Н. Нумерова [68]. Малоинерционные пьезометры использовались в опытно-фильтрационных работах, выполненных И.С. Пашковским [74]. Пьезометры устанавливались в глинистую толщу, перекрывающую маломощный прослой песков, из которого проводилась опытная откачка. По результатам проведенной интерпретации был определен коэффициент пьезопроводности глинистой толщи. В дальнейшем в работе [43] была предложена особая трактовка полученных результатов. Однако, подчеркивалась перспектива использования малоинерционных пьезометров для повышения информативности откачек и расшифровки типовой расчетной схемы.

Датчики гидростатического (порового) давления при опытных откачках в лаборатории гидрогеологии ВНИМИ стали использоваться в начале 80"х годов. Так, при разведке Орловского буроугольного месторождения на основе информации, полученной по датчикам, была расшифрована профильная неоднородность угленосной толщи, оценена проницаемость водоупоров, выявлено наличие вертикального потока в перекрывающей глинистой толще [75]. На Эстонском сланцевом месторождении специализированная опытная откачка с датчиками гидростатического давления была проведена для оценки гидравлической связи четвертичного и ордовикского водоносных горизонтов. Информация, полученная с помощью датчиков, позволила определить параметры взаимодействующих водоносных горизонтов, а также коэффициент фильтрации разделяющего водоупора моренных суглинков. Эти опытные работы выполнялись при решении проблем охраны Вазаверского природного комплекса от влияния развивающихся открытых горных работ [76]. При разведке Пермиловского месторождения подземных вод применение датчиков гидростатического (порового) давления позволило выявить положение зон повышенной проницаемости в разрезе водоносных отложений, уточнить расчетную геофильтрационную схему и определить параметры стратифицированного комплекса для оценки запасов подземных вод.

При строительстве многофункционального комплекса «ПАРК-СИТИ» Московского международного делового центра датчики гидростатического давления использовались для оценки проницаемости пласта Воскресенских глин, что позволило оценит^ возможность разгрузки напорного пласта известняков, залегающих под глинами, непосредственно строительным котлованом, а также обосновать оптимальные параметры системы разгрузочных скважин [61].

Петровой И.Б. и Мироновым А.С. [66] датчики гидростатического давления были применены при опытно-фильтрационных работах в качестве «точечных» средств замеров уровней (напоров) подземных вод, распределенных дифференцированно по глубине изучаемого водоносного комплекса. Благодаря этому появилась возможность надежно интерпретировать результаты эксперимента с учетом неустановившегося режима фильтрации в начальный период откачки.

Несмотря на то, что накопленный к настоящему времени опыт проведения опытно-фильтрационных работ с применением датчиков гидростатического давления позволяет рекомендовать их использование для повышения информативности опытно-фильтрационных работ, опробование песчано-глинистых толщ с целью определения фильтрационных параметров глинистых разностей для прогноза их депрессионного уплотнения является достаточно сложной задачей, требующей специальных проработок, касающихся как методики проведения экспериментов, так и методических приемов интерпретации результатов этих экспериментов.

Для интерпретации результатов опытно-фильтрационных работ в настоящее время широко используются компьютерные программы. Программа AQUITEST предназначена для обработки опытно-фильтрационных работ аналитическими и графоаналитическими методами по наиболее распространенным в гидрогеологической практике схемам [83, 84]. Программа "RELIS" (Коносавский, Россия, 1992) реализует численную двумерную модель фильтрации в осесимметричной постановке, построенную на базе чисто неявной конечно-разностной схемы в цилиндрических координатах. Программа "RELIS" позволяет моделировать слоистые толщи, учитывать профильную неоднородность пород и анизотропию проницаемости в каждом слое, имитировать напорный, безнапорный и напорно-безнапорный режимы фильтрации, учитывать емкость и скин-эффект откачивающей скважины.

Гидрогеологическое обеспечение горных работ при строительстве подземных сооружений наряду с постановкой целенаправленных режимных гидрогеологических наблюдений и экспериментов подразумевает также интерпретацию их результатов.

При проходке подземных сооружений, также как и при работе горнодобывающего предприятия, интерпретация результатов режимных наблюдений предполагает оценку структуры потока, уточнение гидрогеологической структуры (выделение водоносных горизонтов и водоупоров), оценку условий их питания и разгрузки.

Разработанные аналитические методы интерпретации результатов наблюдений ранее ограничивались оценками изучаемых процессов в рамках упрощенных расчетных схем. Лишь с разработкой методики аналогового моделирования (на гидравлических интеграторах, на электрических моделях) появилась возможность расширения возможностей гидрогеологического анализа и прогноза изучаемых геофильтрационных и миграционных процессов [13, 19,39,52].

С конца 70-х годов прошлого столетия интерпретация режимных наблюдений в ходе анализа техногенного режима подземных вод при работе горнодобывающих предприятий выполняется с использованием численных геофильтрационных моделей. Математическое моделирование геофильтрационных процессов, как правило, базируется на конечно-разностном методе решения дифференциальных уравнений. В настоящее время существует достаточно большой набор специализированных программ, предназначенных для моделирования геофильтрационных процессов: MODFLOW (США), WOLF (Россия), GEOWS (Россия), GWFWIN3D (Россия).

Из всех вышеперечисленных программ наибольшей известностью пользуется пакет MODFLOW [102, 103, 104, 106, 107, 110, 111]. В исходной версии основным назначением этого пакета было построение региональных моделей подземного стока. Однако, в течение последних 15 лет этот пакет используется для решения широкого круга гидрогеологических задач, в том числе - в горнопромышленной гидрогеологии. В лаборатории и экологии ВНИМИ под руководством Ю.А. Норватова и И.Б. Петровой разработана методика создания численных геофильтрационных моделей для анализа и прогноза техногенного режима подземных вод на шахтных и карьерных полях при эксплуатации месторождений полезных ископаемых и при ликвидации угольных предприятий [59, 60, 63, 64, 67].

Методика создания численных моделей для имитации геофильтрационных процессов при проходке тоннелей в песчано-глинистых отложениях проходческими комплексами с гидропригрузом забоя и сооружении строительных котлованов нуждается в дальнейшей разработке.

Спецификой численного моделирования геофильтрационных процессов при проходке строительных котлованов под защитой водопонижающих скважин является комплексное решение вопросов оптимизации дренажной системы, а также оценка скорости и величин снижения уровней в покровных отложениях.

Численная геофильтрационная модель, имитирующая условия проходки транспортных тоннелей специализированным комплексом с гидропригрузом забоя, также требует специальных методических проработок как с позиций гидрогеологической и вычислительной схематизации, так и учета на модели перемещения щита с гидропригрузом забоя.

Таким образом, основная идея работы заключается в том, что эффективность гидрогеологического обеспечения горных работ при строительстве подземных сооружений может быть повышена за счет проведения натурных исследований с применением датчиков гидростатического давления в сочетании с использованием численного моделирования для анализа и прогноза изучаемых геофильтрационных и гидрогеомеханических процессов, а также для оптимизации инженерных мероприятий по управлению этими процессами.

Для этого в работе решаются следующие задачи: разработать научно-методические принципы организации и проведения гидрогеологического мониторинга, обеспечивающего безопасность строительства подземных сооружений; изучить в натурных условиях техногенный режим подземных вод и закономерности изменения напряженного состояния водонасыщенных неоднородных массивов песчано-глинистых пород при проходке транспортных тоннелей с гидропригрузом забоя; разработать рекомендации по совершенствованию структуры численных геофильтрационных моделей и методических приемов моделирования для повышения надежности прогнозов гидродинамического режима и оценок оседания земной поверхности при строительном водопонижении; разработать практические рекомендации по гидрогеологическому обеспечению горных работ при строительстве подземных сооружений.

2. ОРГАНИЗАЦИЯ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НА УЧАСТКЕ «РАЗМЫВ» САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО МЕТРОПОЛИТЕНА

Заключение Диссертация по теме "Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр", Назима, Вячеслав Викторович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработаны и реализованы научно-методические принципы организации и проведения гидрогеологического мониторинга, обеспечивающего безопасность строительства и эксплуатации транспортных тоннелей в водонасыщенных песчано-глинистых отложениях.

2. Установлены закономерности изменения напряженного состояния водонасыщенных песчано-глинистых отложений при сооружении в них тоннелей проходческим комплексом с гидропригрузом забоя.

3. Внедрена на участке «Размыв» Санкт-Петербургского метрополитена разработанная методика натурных наблюдений для изучения гидродинамического режима и напряженно-деформированного состояния неоднородного песчано-глинистого массива при уникальной проходке транспортных тоннелей комплексом с гидропригрузом забоя.

4. Проведено изучение гидрогеомеханических условий сооружения подземных станций метрополитена в районе плотной застройки г. Казани. Разработаны численные геофильтрационные модели для обоснования параметров строительного водопонижения и прогноза сопутствующих деформаций толщи песчано-глинистых отложений и оседаний земной поверхности.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Назима, Вячеслав Викторович, Санкт-Петербург

1. Абрамов С.К., Найфельд Л.Р., Скиргелло О.Б. Дренаж промышленных площадок и городских территорий. Госстройиздат, 1954

2. Абрамов С.К. Гидрогеологические расчеты притока воды в котлованы и искусственного понижения уровня грунтовых вод. Углетехиздат, 1952

3. Альтовский М.Е. К Вопросу формирования химического состава подземных вод. Вопросы гидрогеологии и инженерной геологии. Тр. ВСЕГИНГЕО, сб. 14 Госгеолтехиздат. 1956

4. Аравин В.И., Нумеров С.Н. Фильтрационные расчеты гидротехнических сооружений. М., Стройиздат, 1948. 226 с

5. Боревский Б.В., Язвин Л.С. Опыт определения расчетных гидрогеологических параметров по данным групповых откачек. Разв. и охр. недр, №4, 1963

6. Бочевер Ф.М. и др. Основы гидрогеологических расчетов. Недра. 1965

7. Бочевер Ф.М. Теория и практические методы расчета эксплуатационных запасов подземных вод. Недра, 1968

8. Бочевер Ф.М., Гармонов И.В., Лебедев А.В., Шестаков В.М. М., Недра, 1969.368с

9. Веригин Н.Н. О неустановившемся движении грунтовых вод вблизи водохранилищ. ДАН СССР, т.66, №6, 1949

10. Гавич И.К. Принципы и методы моделирования при оценке эксплуатационных запасов подземных вод. ОНТИ, ВИЭМС, 1970

11. Гавич И.К. Теория и практика применения моделирования в гидрогеологии. М., Недра, 1980. 357 с

12. М.Гальперин A.M., Зайцев B.C., Норватов Ю.А. Гидрогеология и n инженерная геология. М., «Недра», 1989. 383 с.

13. Герсиванов Н. М., Полынинин Д.Е. Теоретические основы механики грунтов. М., Госстройиздат, 1948. 247 с.

14. Гидрогеологические исследования в горном деле/Под ред. В. А. Мироненко. М., Недра, 1977

15. П.Гольдберг В.М. Гидрогеологические прогнозы качества подземных вод на водозаборах. М. Недра, 1976

16. Жернов И.Е., Шестаков В.М. Моделирование фильтрации подземных вод. М., Недра, 1971. 226 с

17. Ильин А.И., Гальперин A.M., Стрельцов В.И. Управление долговременной устойчивостью откосов на карьерах. М.Недра, 1985

18. Каменский Г.Н., Гавич И.К., Мясникова Н.А., Семенова С.М. Гидродинамические основы прогноза режима грунтовых вод. Тр. ЛГГИ, т. XXV. Изд-во АН СССР, 1960

19. Каменский Г.Н., Гавич И.К., Семенова С.М. Гидродинамическая характеристика различных видов потоков подземных вод. Изв. высш. учебн. завед. Геология и разведка, №10, 1960

20. Каменский Г.Н., Толстихина Н.М., Толстихин Н.И. Гидрогеология СССР. Госгеолтехиздат, 1959

21. Кацнельсон Н.Н., Никольская Н.М., Иванов И.П. Определение углов сдвижения и расчет осадок пород от водопонижения на Яколевском железорудном месторождении // Сб. трудов ВНИМИ. XII. - Л.:ВНИМИ, 1962

22. Козел A.M. Геомеханические вопросы проектирования и поддержания шахтных стволов: Книга 1. Условия поддержания, состояние, виды и причины деформаций вертикальных стволов СПб.: Недра. 2001.-216 с.

23. Коноплянцев А.А., Ковалевский B.C., Семенов С.С. Некоторые региональные закономерности режима грунтовых вод СССРР. Сов. геология, №9, 1964

24. Коноплянцев А.А., Чуринов М.В. Мелкомасштабные обзорные гидрогеологические карты. Разведка и охрана недр. №4 1957

25. Кутепов Ю.И. Научно-методические основы инженерно-геологического обеспечения отвалообразования при разработке угольных месторождений. Автореферат дисс. на соиск. уч.ст. доктора техн. наук. -М.:МГГУ, 1999.

26. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А., Подольский В.А. Изучение и прогноз гидрогеомеханических процессов при гидроотвалообразовании //

27. Вопросы гидрогеологии и гидрогеомеханики горного производства. СПб: Изд-во ВНИМИ, 1998. С. 65-77

28. Лебедев А.В. Методы изучения баланса грунтовых вод. Госгеолтехиздат, 1963

29. Ломакин Е.А., Мироненко В.А., Шестаков В.М. Численное моделирование геофильтрации. М., Недра, 1988

30. Ломтадзе В.Д. О роли процессов уплотнения глинистых осадков в формировании подземных вод. ДАН СССР №3 1954

31. Лукнер Л., Шестаков В.М. Моделирование геофильтрации. М., Недра, 1976. 404 с

32. Маньковский Г. И. О горной геомеханике.-«Научные сообщения Института горного дела», 1962, t.XVII, с. 3-8

33. Маслов Н.Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов. М., Высшая школа, 1982

34. Мироненко В. А., Шестаков В. М. Основы гидрогеомеханики. М., «Недра», 1974. 298 с.

35. Мироненко В.А., Шестаков В.М. Теория и методы интерпретации опытно-фильтрационных работ. М., Недра, 1978. 325 с.

36. Миронеко В.А. Динамика подземных вод. М., изд-во МГУ, 1996

37. Мироненко В.А., Румынии В.Г. Опытно-миграционные работы в водоносных пластах. М.Недра, 1986. 240 с

38. Мироненко В.А., Стрельский Ф.П. Практическое применение гидрогеомеханики в целях повышения промышленной и экологической безопасности горных работ «Инженерная геология». АН СССР. 1989. №5. СЗ-14.

39. Мироненко В.А., Мольский Е.В., Румынии В.Г. Горнопромышленная гидрогеология. «Недра», 1989. 287 с.

40. Мироненко В.А., Фисенко Г.Л., Жернов И.Е., Норватов Ю.А. и др. Руководство по дренированию карьерных полей. Л., ВНИМИ. 1968

41. Насберг В.М. Фильтрационный расчет шпурового дренажа, служащего для разгрузки облицовки тоннеля и шахт от давления фунтовых вод. Изв. ТНИСГРИ, т. 16(50), изд-во "Энергия", 1966

42. Норватов Ю.А. Установление гидрогеологических параметров методами аналогового моделирования. Разведка и охрана недр, 1973, №1, с.44-48

43. Норватов Ю.А. Изучение и прогноз техногенного режима подземных вод (при освоении месторождений подземных ископаемых). Л.: Недра, 1988. 261 с

44. Норватов Ю.А. Гидрогеомеханические исследования при оценке условий разработки угольных месторождений. Рефераты докладов VIIмеждународного конгресса по маркшейдерскому делу, Внешторгиздат, Л., 1988

45. Норватов Ю.А. Исследование гидрогеомеханических процессов и управление ими с целью повышения эффективности горных работ. "Уголь", N8,1988r

46. Норватов Ю. А., Петрова И. Б., Назима В. В. Гидрогеомеханический мониторинг на аварийном участке Санкт-Петербургского метрополитена // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. — 2003.-№6.-С. 556-560

47. Норватов Ю. А., Петрова И. Б., Назима В. В. Гидрогеомеханическое обеспечение горных работ при строительстве подземных сооружений // Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики: Сб. докл. конференции. СПб. - 2002. - С. 322-329.

48. Норватов Ю.А., Грабарь А. В., Рожков А. А. и др. Оптимизация системы водопонижения при вскрытии котлована центрального ядрамеждународного делового центра «Москва Сити». Подземное пространство мира№3, 2000 г., М., Информ.-изд. центр «Тимр».

49. Норватов Ю.А., Петрова И. Б. Численное моделирование и аналитическая оценка условий затопления ликвидируемых шахт. «Перспективы использования геоинформационных технологий для безопасной отработки месторождений полезных ископаемых», СПб, ВНИМИ, 2001

50. Норватов Ю.А., Оловянный А. Г. Математическое моделирование гидрогеомеханических процессов. Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики, СПб, СПГГУ, 2002 г

51. Оловянный А.Г. Некоторые задачи механики массивов горных пород. ВНИМИ. СПб. 2003. 234 с

52. Определение возможных величин и характера сдвижения (оседания) поверхности земли и стволов шахт под влиянием длительного водопонижения и очистных работ Яковлевского рудника // Отчет о НИР. Белгород: ВИОГЕМ, 1988. - 97 с.

53. Оценка влияния осушения месторождений «Мир» и «Интернациональное» на деформацию земной поверхности в районе шахтных стволов рудника «Интернациональный» // Заключение (Исп. Косяков С.И., Журин С.Н.) Белгород.: ВИОГЕМ, 1994

54. Пашковский И.С. Методы определения инфильтрационного питания по расчетам влагопереноса в зоне аэрации. М., МГУ, 1973

55. Пашковский И.С., Кутихина В. Д. Особенности определения гидрогеологических параметров в неоднородных водоносных горизонтах. Тр. ВСЕГИНГЕО, вып. 58. 1972. с. 105-112.

56. Плотников Н.И. Поиски и разведка пресных подземных вод для целей крупного водоснабжения. Ч. I, II, МГУ, 1968

57. Подольский В.А. и др. Методы численного моделирования гидрогеомеханических процессов при подземной разработке месторождений. Сборник трудов ММТТ-2000, т. 1, секция 1,4, С-П. 2000

58. Подольский В.А., Панчуков Н.П. и др. Численные методы расчета напряжений при камерно-столбовой системе разработки месторождений гипса. Сборник трудов ММТТ-14, т.З, секция 3, Смоленск. 2001

59. Роза С.А. Расчет осадки гидроэлектростанции. М - Л., Гоэнергоиздат, 1959. 330с

60. Рошаль А.А. Методы определения миграционных параметров. Обзор ВИЭМС, сер. «Гидрогеология и инженерная геология». 1981. 61 с.

61. Стрельский Ф.П., Миронов А.С. Оценка условий подработки водных объектов методом наблюдений за поровым давлением. Труды ВНИМИ. Сб. 106 Шахтная геофизика и геология. JI. 1977. С.36 41.

62. Сыроватко М.В. Гидрогеология и инженерная геология при освоении угольных месторождений. Госгортехиздат, 1960

63. Терцаги К. Теория механики грунтов. М. 1961. 508 с.

64. Толстихин Н.И. Принципы структурно-гидрогеологического районирования территорий Сибири. В сб. Мат. комиссии по изучению подз. вод. Сибири и Дальн. Вост. Сиб. отд. АН СССР, вып.2. 1962

65. Троянский С. В., Белицкий А. С., Чекин А. И. Гидрогеология и осушение месторождений полезных ископаемых, М., 1956;

66. Троянский С. В., Белицкий А. С., Чекин А. И. Общая и горнорудничная гидрогеология. М., Госгортехиздат, 1960, 391с.

67. Цытович Н.А. Механика грунтов. М., Высшая школа, 1983.

68. Цытович Н.А., Тер-Мартиросян З.Г. Основы прикладной геомеханики в строительстве: Учеб. Пособие. М.Высшая школа, 1981. — 317с

69. Черных В.А. Гидрогеомеханика нефтегазодобычи. М. ВНИИГАЗ, 2001. 279 с.

70. Шабынин J1.JI. Аварийные прорывы в Северомуйский тоннель БАМ в процессе строительства и возможные осложнения при его эксплуатации. «Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология», 2001, №2, с.107-115

71. Шестаков В.М. Теоретические модели переноса загрязнений в подземных водах. В кн.: Методы оценки ресурсов подземных вод. Вильнюс, 1979, с279 300

72. Шестаков В.М. Динамика подземных вод. М., Изд. МГУ, 1979. 368 с.

73. Штенгелов Р.С. Формирование и оценка эксплуатационных запасов пресных подземных вод. М.: Недра, 1988. 231 с

74. Язвин JI.C. (сост). Краткие указания по определению гидрогеологических параметров артезианских водоносных горизонтов для оценки эксплуатационных запасов с учетом упругого режима. ВСЕГИНГЕО. 1962.

75. Chiang Н., Kinzelbach W. "Processing MODFLOW. Version 3.0". Hamburg Heidelberg. 1992 - 1993

76. Chiang, W. H. and W. Kinzelbach. 1993. Processing Modflow (PM), Pre- and postprocessors for the simulation of flow and contaminants transport in groundwater system with MODFLOW, MODPATH and MT3D

77. Chiang, W.-H., W. Kinzelbach and R. Rausch, 1998, Aquifer Simulation Model for Windows Groundwater flow and transport modeling, an integrated program. Gebriider Borntraeger Berlin, Stuttgart, ISBN 3-443-01039-3

78. Guidebook to studies of land subsidence due to ground water withdrawal. UNESCO Working Group on Land Subsidence, 1980. - 984.

79. Harbauf, A.W. & McDonald, M.G. 1996. User's documentation for MODFLOW-96, an update to the US Geological Survey modular finite-difference ground-water flow model. Reston, Virginia: U.S. Geological Survey, Open-File Report 96-495

80. Hill, M. C., 1992. MODFLOW/P A computer program for estimating parameters of a transient, three-dimensional, groundwater flow model using nonlinear regression, U.S. Geological Survey, Open-file report 91-484

81. Land subsidence. Proc. Of the Tokyo Symposium. September 1969, vol. 1,2. International Association of Hydrological Sciences. (IAHS/AISH) UNESCO, 1970, publ. № 88-89 324 p

82. Land subsidence Symposium. (IAHS/AISH), 1977, publ. №121. 670 p

83. McDonald M.G., Harbough A.W., 1988 MODFLOW, A Modular D3 Finite-Difference Ground-Water Flow Model US GS. Tec. Water-Resources Inv. Bk 6, Chap Al. Washington. DC.

84. Hill, M. C., 1990a, Preconditioned Conjugate-Gradient 2 (PCG2), A computer program for solving groundwater flow equations, U. S. Geological Survey, Denver

Информация о работе

Назима, Вячеслав Викторович
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2005
ВАК 25.00.16

Диссертация

Гидрогеологическое обеспечение горных работ при строительстве подземных сооружений в песчано-глинистых отложениях - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы