авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Научно-методические принципы гидрогеологического мониторинга при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей в песчано-глинистых отложениях (на примере у

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи


КОТЛОВ Олег Николаевич

научно-методические принципы гидрогеологического мониторинга при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей в песчано-глинистых отложениях

(на примере участка санкт-петербургского метрополитена между станциями «лесная» «Площадь мужества»)




Специальность 25.00.07 Гидрогеология


А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук


САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2007

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Норватов Юлий Александрович


Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Павлов Александр Николаевич

кандидат геолого-минералогических наук

Назима Виктор Николаевич




Ведущее предприятие ОАО «Ленметрогипротранс»


Защита диссертации состоится 31 мая 2007 г. в 16 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.01 при Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. № 4312.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.


Автореферат разослан 28 апреля 2007 г.




УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д. г.-м. н., профессор А.Г. МАРЧЕНКО

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Развитие инфраструктуры крупных городов влечет за собой строительство подземных сооружений различного типа. В городах с плотно застроенными территориями большое значение имеют подземные транспортные тоннели, в частности – тоннели метрополитена.

Строительство и эксплуатация тоннелей сопровождается формированием техногенного режима подземных вод и изменением напряженного состояния подработанного массива. Особенно сложны гидрогеологические условия строительства и эксплуатации тоннелей, пересекающих древние погребенные долины, заполненные песчано-глинистыми отложениями. Недостаточное внимание к изучению инженерно-геологических и гидрогеологических условий строительства и эксплуатации тоннелей в песчано-глинистых отложениях может привести к аварийным ситуациям: нарушениям целостности обделки тоннелей, прорывам воды и водонасыщенных рыхлых отложений в горные выработки. Подобные явления сопровождаются нарушением структуры вышележащего породного массива и оседаниями земной поверхности, которые представляют серьезную опасность для зданий и подземных коммуникаций, расположенных над тоннелями.

Для контроля безопасного строительства и эксплуатации тоннелей необходимо выполнение целенаправленных комплексных исследований, включающих организацию и проведение гидрогеологического мониторинга.

Цель работы. Разработка научно-методического обоснования гидрогеологического мониторинга, обеспечивающего контроль безопасности строительства и эксплуатации транспортных тоннелей, пройденных в песчано-глинистых отложениях.

Основная идея работы заключается в том, что для контроля безопасности строительства и эксплуатации тоннелей необходимо создание наблюдательной сети особой конструкции, проведение наблюдений за изменениями гидродинамического режима подземных вод и соответствующими изменениями напряженного состояния водонасыщенных песчано-глинистых отложений с целенаправленной интерпретацией результатов наблюдений при применении численных геофильтрационных моделей.

Основные задачи исследования:

  • изучение гидрогеологической структуры и фильтрационных характеристик водонасыщенных неоднородных массивов песчано-глинистых пород, вмещающих транспортные тоннели;
  • разработка методики создания численных геофильтрационных моделей для интерпретации результатов наблюдений за техногенным режимом подземных вод при проходке транспортных тоннелей с гидропригрузом забоя;
  • разработка методики имитации на численных геофильтрационных моделях возможных аварийных ситуаций при эксплуатации тоннелей;
  • разработка методики прогнозной оценки объемов выноса песчаных отложений при аварийном нарушении целостности обделки тоннелей;
  • разработка научно-методических принципов и практических рекомендаций по планированию и проведению гидрогеологического мониторинга, обеспечивающего контроль безопасной эксплуатации транспортных тоннелей.

Методы исследования. В работе используются методы исследований, включающие геологический и гидрогеологический анализ условий развития техногенных геофильтрационных и гидрогеомеханических процессов, натурные гидрогеологические наблюдения, численное геофильтрационное моделирование.

Научная новизна:

  • установлены основные закономерности изменения гидродинамического режима и напряженного состояния водонасыщенных песчано-глинистых отложений при строительстве и эксплуатации тоннелей;
  • разработана методика построения численных моделей, обеспечивающих совместное изучение и прогноз геофильтрационных и гидрогеомеханических процессов;
  • разработаны методические приемы имитации на численных моделях аварийных ситуаций при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей;
  • разработана методика определения объемов выноса песчаных отложений при аварийном нарушении целостности обделки тоннелей.
  • разработаны научно-методические принципы гидрогеологического мониторинга при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей.

Практическая значимость. Разработанная методика гидрогеологического мониторинга рекомендуется для использования при выполнении горных работ в период строительства, а также при эксплуатации транспортных тоннелей, заложенных в песчано-глинистых отложениях. Основные положения работы практически использованы при проведении гидрогеологического мониторинга в период проходки и при эксплуатации транспортных тоннелей в песчано-глинистых отложениях на участке восстановления движения от ст. «Лесная» до ст. «Пл. Мужества» Санкт-Петербургского метрополитена.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается:

  • результатами многолетних натурных наблюдений;
  • анализом изучаемых геофильтрационных процессов на численных моделях;
  • теоретическим анализом гидродинамических и гидрогеомеханических процессов, формирующихся при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей в песчано-глинистых отложениях;
  • сходимостью результатов аналитической оценки изучаемых процессов с результатами натурных наблюдений.

Личный вклад автора:

  • разработка рекомендаций по организации и проведению гидрогеологического мониторинга при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей;
  • личное участие в проведении в течении нескольких лет наблюдений по скважинам режимной сети и создание базы данных;
  • разработка методики гидрогеологических исследований при инженерно-геологических изысканиях на трассе проектируемых транспортных тоннелей;
  • разработка методики численного геофильтрационного моделирования для имитации аварийных ситуаций при эксплуатации тоннелей;
  • разработка методики прогнозной оценки объемов выноса песчаных отложений при нарушении целостности обделки тоннелей.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Геологи XXI века» (г. Саратов, 2002 г.), на ежегодной «Конференции студентов и молодых учёных СПГГИ (ТУ)» (2004 г.), на Международной конференции «Development, Exploitation and Processing of Raw Materials» (Фрайберг, Германия, 2006 г.).

Основные положения диссертации отражены в 5 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 138 страницах, включая введение, 4 главы, заключение, список литературы из 94 наименований, содержит 37 рисунков и 19 таблиц.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю – доктору геолого-минералогических наук профессору Ю.А. Норватову, заведующему кафедрой гидрогеологии и инженерной геологии СПГГИ профессору В.В. Антонову, кандидату геолого-минералогических наук И.Б. Петровой, сотрудникам кафедры – профессору А.И. Короткову, профессору Р.Э. Дашко, профессору В.А. Кирюхину, доценту Н.С. Петрову; автор также особо благодарит сотрудников лаборатории гидрогеологии ВНИМИ – В.В. Назиму, И.В. Русанова, И.В. Тугарова за полезные советы и постоянную помощь в проведении работ, положенных в основу диссертации.

Основное содержание работы

В первой главе диссертации рассмотрены состояние изученности вопроса, научно-методические принципы изучения и прогноза геофильтрационных и гидрогеомеханических процессов, развивающихся при строительстве и эксплуатации подземных сооружений в песчано-глинистых отложениях.

Вторая глава содержит анализ геологического и гидрогеологического строения древней погребенной долины, пересекаемой трассой тоннелей на участке Санкт-Петербургского метрополитена между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества». Представлены результаты режимных наблюдений и методика гидрогеологического мониторинга. Основное внимание уделено анализу многолетних наблюдений по станциям, оборудованным датчиками гидростатического давления. Выполнена оценка напряженного состояния водонасыщенного массива до строительства, в период проходки и во время эксплуатации транспортных тоннелей.

В третьей главе изложена методика проведения опытно-фильтрационных работ с постановкой имитационного численного моделирования для решения «игровых задач» с целью оптимизации расположения скважин при планировании опытных откачек и регламента опробования; рассмотрено использование современных технических средств для повышения информативности откачек и применение современных компьютерных технологий для интерпретации полученных данных. Представлены результаты практического применения предложенной методики при интерпретации результатов опытной откачки, проведенной на исследуемом участке метрополитена.

Четвертая глава содержит описание методики создания численной геофильтрационной модели участка древней погребенной долины и результаты моделирования при интерпретации наблюдений за техногенным режимом подземных вод при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей; также представлена методика и результаты прогноза прорывов подземных вод в тоннели с оценкой объемов выноса песчаных отложений. Изложены практические рекомендации по методике гидрогеологического мониторинга.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

1. Гидрогеологический мониторинг, предназначенный для контроля безопасной эксплуатации транспортных тоннелей, пройденных в песчано-глинистых отложениях, должен быть направлен на оценку напряженного состояния водонасыщенного массива с использованием датчиков гидростатического давления

Контроль безопасности эксплуатации транспортных тоннелей, пройденных в песчано-глинистых отложениях, подразумевает наблюдения за изменениями гидростатических давлений, отражающих напряженное состояние водонасыщенного массива. Полное напряжение, согласно схеме К. Терцаги, является суммой нейтрального напряжения (гидростатического давления) и эффективного напряжения, изменения которого вызывают компрессионные деформации породного массива, а также изменение сил трения на контакте обделки тоннеля с вмещающими породами и соответствующие условия устойчивости тоннелей в породном массиве. Измеряя гидростатическое давление в различных точках водонасыщенного массива и оценивая полное напряжение, можно аналитически определить эффективное напряжение в этих точках. Нейтральное напряжение определяет условия проходки тоннелей с гидропригрузом забоя – создаваемое дополнительное гидростатическое давление приводит к разуплотнению пород, однако способствует удержанию забоя за счет повышения сил гидродинамического давления на породный скелет. Повышение гидростатического давления при эксплуатации тоннелей может свидетельствовать о проявлении тиксотропного разжижения пород за счет знакопеременных (вибрационных) воздействий. При тиксотропном разжижении породного массива возможны оседания тоннелей, сопровождаемые нарушением целостности их обделки. Гидростатическое давление в водоносных пластах определяет условия развития гидрогеомеханических процессов в аварийных ситуациях (прорывы воды и водонасыщенных пород в горные выработки при нарушении целостности водоупоров и обделки тоннелей).

Датчики гидростатического давления при организации наблюдательной сети имеют ряд преимуществ по сравнению с обычно применяемыми открытыми пьезометрами – возможность измерения гидростатического давления в слабопроницаемых песчано-глинистых породах, возможность установки нескольких датчиков в виде гирлянд в скважинах, что позволяет детально изучить структуру трехмерного потока. Достоинства датчиков гидростатического давления определили их использование при проведении гидрогеологического мониторинга в период строительства и во время эксплуатации новых транспортных тоннелей между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества».

Участок трассы тоннелей между этими станциями приурочен к древней погребенной долине, выполненной четвертичными отложениями, которые представлены московской и лужской моренами, разделенными межледниковыми отложениями водно-ледникового генезиса. В комплексе четвертичных отложений выделяются три водоносных горизонта. Первый от поверхности безнапорный водоносный горизонт приурочен к озерно-ледниковым пескам и супесям. Второй (средний) водоносный горизонт – к озерно-ледниковым пескам и супесям, залегающим на суглинках московской морены. Третий (нижний) водоносный горизонт (толща озерно-ледниковых и флювиогляциальных песков) залегает на котлинских глинах и перекрыт отложениями московской морены. Нижнекотлинский (гдовский) водоносный комплекс венда экранирован от четвертичного водоносного комплекса толщей плотных котлинских глин.

После аварийного затопления тоннелей в декабре 1995 года на участке Санкт-Петербургского метрополитена «Лесная» – «Площадь Мужества» были организованы гидрогеологические наблюдения – оборудована наблюдательная сеть, включающая 13 станций – буровых скважин с размещенными в них 56 датчиками гидростатического давления; в настоящее время наблюдения по этим станциям продолжаются.

 хема наблюдательной сети Расстояния между станциями определяются плановой-0

Рис.1 Схема наблюдательной сети

Расстояния между станциями определяются плановой фильтрационной неоднородностью, а количество датчиков в каждой скважине – структурой четвертичных отложений в разрезе. Станции расположены по створам, ортогональным трассе тоннелей; количество станций в створе 2 – 3, расстояния между ними 15 – 20 м. Расстояния между створами 50 – 100 м (рис. 1). Датчики в скважинах расположены в виде гирлянд, что дает возможность оценить трехмерную структуру потока подземных вод в неоднородной по фильтрационным характеристикам толще четвертичных отложений. Регулярные наблюдения по оборудованной сети выполнялись с 1999 года, с частотой 1 – 2 раза в месяц. В период проходки тоннелей наблюдения проводились еженедельно, а по скважинам, расположенным вблизи движущегося забоя, выполнялись 1 – 2 раза в сутки.

Наблюдения за естественным гидродинамическим режимом подземных вод позволили детализировать представления о гидрогеологической структуре толщи четвертичных отложений и оценить закономерности сезонных изменений уровенного режима выделенных водоносных горизонтов. По результатам наблюдений в геологическом разрезе выделяются три водоносных горизонта, характеризующиеся определенными напорами, при которых фиксируется нисходящий поток. Градиент напоров подземного потока, вдоль оси тоннелей (с северо-востока на юго-запад) при естественном режиме подземных вод составляет величину 10-2. Сезонные изменения напоров водоносных горизонтов практически синхронны, а их амплитуды близки и не превышают 1 м. Установлена зависимость уровней подземных вод от величины атмосферного давления, однако амплитуды суточных колебаний уровней существенно ниже сезонных. Сезонные и суточные изменения гидростатических давлений в толще четвертичных отложений практически не влияют на условия строительства и эксплуатации тоннелей. Результаты наблюдений послужили основой для планирования технологических параметров проходки тоннелей спецкомплексом с гидропригрузом забоев на разных участках прохождения трассы (дополнительное давление на забое должно составлять около 20 % от величины «естественного» гидростатического давления).

По результатам замеров гидростатических давлений оценено напряженное состояние массива песчано-глинистых пород по трассе тоннелей – в качестве примера на рисунке 2 представлены эпюры полных, нейтральных и эффективных напряжений.

В период проходки тоннеля по десяти наблюдательным станциям зафиксированы изменения гидростатического давления в четвертичных отложениях, а также в котлинских глинах. Реакция определялась изменением напряженного состояния водонасыщенного породного массива за счет перераспределения нагрузки на массив при его вскрытии тоннелем, а также созданием дополнительного гидростатического давления на забое.

 пюры полных(п), нейтральных(н) и эффективных(э) напряжений до проходки-1

Рис. 2 Эпюры полных(п), нейтральных(н) и эффективных(э) напряжений до проходки транспортных тоннелей (средние значения 1999-2002 г.г.) в створе скважин 4499, 4466 и 4467.

На рисунке 3 показаны эпюры максимальных изменений нейтральных напряжений во время приближения проходческого комплекса к створу наблюдательных скважин.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.