Инженерно-геологические условия горных тоннелей Транссиба на Малом Хингане

Актуальность работы. Современные железнодорожные тоннели по предъявляемым к ним требованиям надежности и долговечности относятся к числу наиболее ответственных сооружений транспорта. Это, прежде всего, относится к тоннелям на магистральных железнодорожных линиях, к которым относится Транссибирская. Наибольшее количество тоннелей по трассе Транссиба сосредоточено на Дальневосточной железной дороге, при пересечении хребта Малый Хинган.

Пять Хинганских тоннелей, протяженностью от 300 м до 2.03 км и глубиной заложения от 20 до 130 м, построены на участке Дальневосточной железной дороги, протяженностью около 80 км, в районе, который имеет сложное геологическое и тектоническое строение и представлен горными породами принадлежащими разным структурным этажам, различной степени дислоцированности, метаморфизма и литификации, имеет сложный режим подземных вод. На протяжении всей своей истории они испытывали неблагоприятное влияние этих условий, как в эксплуатационный период, так и при строительстве и реконструкции. В связи с реконструкцией Хинганских тоннелей, построенных в начале XX века (1912;1915 гг.), которая заключается фактически в строительстве новых тоннельных переходов рядом со старыми, проблема комплексного изучения инженерно-геологических и сейсмологических условий этих сооружений с применением современных методов исследований стала особенно актуальной. Для принятия верных решений при реконструкции тоннелей и их безопасной эксплуатации необходимо в целом учитывать геологические и гидрогеологические условия, свойства горных пород, новейшее тектоническое строение, а также характер и интенсивность современных эндогенных процессов в районе. Последнее относится, прежде всего, к сейсмичности — согласно новой Карте сейсмического районирования Северной Евразии, разработанной в.

Объединенном институте физики Земли им. О. Ю. Шмидта (ОСР-97), все Хинганские тоннели находятся в восьмибалльной зоне. Важной проблемой в связи с этим становиться сейсмическое микрорайонирование и анализ сейсмического риска тоннелей.

Цель и задачи исследований. Основная цель проведенных исследований заключается в том, чтобы комплексно изучить инженерно-геологические условия Хинганских тоннелей для успешного решения задач по их реконструкции и дальнейшей эксплуатации.

В работе решались следующие задачи:

1. Изучить опыт строительства, реконструкции и эксплуатации Лагар-Аульского, Облученского, Казачинского, Тарманчуканского и Рачинского тоннелей в отношении инженерно-геологических условий.

2. Систематизировать исходные данные и определить типовые инженерно-геолошческие характеристики горных пород, в которых пройдены тоннели.

3. На основе полевых и лабораторных исследований дать количественную и качественную оценку свойств горных пород, вмещающих тоннели и их массивов.

4. Выявить особенности новейшего тектонического строения района тоннелей, характер и интенсивность современных движений земной коры и оценить их влияние на тоннели.

5. Изучить сейсмический процесс в исследуемом районе, выполнить сейсмическое микрорайонирование тоннелей и провести анализ сейсмического риска системы железной дороги с тоннелями в виде ее отдельных элементов.

Фактический материал и методы исследования. Фактической основой работы являются:

1. Исследования, выполненные лично автором или при его участии в 1995;1999 гг. по теме № 1023 «Исследование инженерно-геологических условий горных массивов с целью выбора проектных решений и оптимальных условий эксплуатации транспортных тоннелей ДВЖД» в соответствии с планом Министерства путей сообщения Российской Федерации, которые включали: изучение архивных материалов, крупномасштабную геологическую съемку районов тоннелейсейсморазведочные работы по методу преломленных волн (МПВ) — исследования неотектоники и современных движений земной коры по данным повторного нивелирования, отбор образцов горных пород для определения физико-механических свойств.

2. Комплексные исследования инженерно-геологических свойств горных пород, пройденных тоннелями, включающие полевые и лабораторные исследования по определению свойств горных пород и массивов, а также их математическое моделирование с использованием данных автора и отдела инженерной геологии ОАО Дальгипротранс.

3. Технические проекты строительства и реконструкции тоннелей, технические отчеты по нивелированию в районе Малого Хингана Дальневосточного аэрогеодезического предприятия и каталог землетрясений Дальнего Востока Института тектоники и геофизики ДВО РАН.

Все расчеты и статистическая обработка материалов исследований проводились автором с использованием стандартных пакетов программ STATISTICA, MAPLE 5.0 и EXCEL 7.0 для персонального компьютера типа IBM PC и выполнены на основе фактических данных.

Научная новизна.

1. Впервые для тоннелей Малого Хингана выполнен комплекс исследований, включающий все основные виды современного изучения инженерно-геологических условий данного типа сооружений.

2. Получены ранее неизвестные сведения о геологическом, структурно-тектоническом строении и свойствах горных пород и массивов, пройденных Хинганскими тоннелями.

3. Впервые выполнено сейсмическое микрорайонирование трасс Хинганских тоннелей и на основе ранее не применявшихся методик проведен анализ сейсмического риска участка Транссиба в виде системы с ключевыми элементами — тоннелями.

Практическая ценность работы.

Выполненные исследования являются научной основой для проектирования при реконструкции и для эксплуатации тоннелей Транссиба на.

Малом Хингане.

1. Выявленные инженерно-геологические и сейсмологические условия позволяют рационально подойти к реконструкции Хинганских тоннелей Транссиба. Появляется возможность вести строительство Тарманчуканского, Лагар-Аульского, реконструкцию Облученского и Казачинского тоннелей на более высоком научно-техническом уровне, с учетом выполненных исследований.

2. Сейсмическое микрорайонирование и анализ сейсмического риска тоннелей позволяют целенаправленно и рационально подходить к проведению антисейсмических мероприятий.

3. Систематизированные исследования для пяти Хинганских тоннелей, каждый из которых характеризует определенный вид инженерно-геологических условий района позволяют использовать их для транспортного, промышленного и гражданского строительства на территории, прилегающей к Транссибу на участке Малого Хингана.

4. Основные положения диссертации используются в лекционных курсах «Инженерная геология» и «Тоннели» для студентов Института транспортного строительства, Дальневосточного государственного университета путей сообщения.

Защищаемые положения. Основными факторами возникновения осложнений при реконструкции и эксплуатации Хинганских тоннелей являются сложное геологическое строение, новейшая тектоника и высокая сейсмичность, поэтому на защиту выносятся следующие положения:

1. Крупномасштабная геологическая съемка участков тоннелей, а также изучение неотектоники и современных движений земной коры в районе позволяют на качественно новом уровне оценивать их инженерно-геологические условия.

2. Установление взаимосвязей между физико-механическими свойствами горных пород и определение этих свойств по геофизическим данным, наряду с традиционными методами исследований, дает возможность уменьшить объемы проектно-изыскательских работ на Хинганских тоннелях и служит более надежной оценке их инженерно-петрологических условий.

3. Сочетание сейсмического микрорайонирования и анализа сейсмического риска, выполненных по комплексу инженерно-геологических, геофизических и сейсмологических данных, обеспечивает оптимальность проектных решений по уменьшению сейсмической опасности Хинганских тоннелей как ключевых элементов Транссиба в районе Малого Хингана.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на международных и региональных конференциях: Второй Международный студенческий конгресс стран Азиатско-Тихоокеанского региона (Владивосток, 1997), «Стихия. Строительство. Безопасность» (Владивосток, 1997), Проблемы транспорта Дальнего Востока (Владивосток, 1997). Региональной научно-практической конференции «Молодежь и научно-технический прогресс» (Владивосток, 1998), Конкурсе молодых ученых и аспирантов, посвященном 275-летию Российской Академии наук (Хабаровск, 1999) — III премия.

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ. Материалы исследований изложены в четырех отчетах о научно-исследовательской работе по НИЧ ДВГУПС, тема № 1023.

Объем работы. Диссертация состоит ев введения, трех частей и заключения, изложена на 115 страницах печатного текста, включает 7 таблиц, 26 рисунков. Список использованной литературы содержит 96 наименований.

Работа выполнена на кафедре «Железнодорожный путь, основания и фундаменты», Института транспортного строительства, Дальневосточного государственного университета путей сообщения.

Исследования проводились под руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора А. Э. Даммера, которому автор выражает искреннюю признательность. В работе учтены консультации, советы, ценные рекомендации докторов геолого-минералогических наук В. М. Бирюкова и К. П. Караванова, кандидатов геолого-минералогических наук В. А. Бормотова, Ф. С. Онухова, С. В. Квашука, кандидата технических наук Б. Н. Смышляева, которым автор приносит сердечную благодарность.

Часть I. ИСТОРИКО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ХИНГАНСКИХ ТОННЕЛЕЙ.

Заключение

.

По времени эксплуатации железнодорожные тоннели являются по существу бессрочными сооружениями, они действуют пока действует железная дорога. Дальневосточная железная дорога, как часть Транссибирской магистрали является наиболее важным транспортным звеном, соединяющим Дальний Восток России с другими регионами страны. Хинганские тоннели представляют наиболее ответственный класс сооруженийот их безаварийной эксплуатации зависит нормальной функционирование всей дороги.

Проведенное исследование опыта строительства, эксплуатации и реконструкции, с начала XX в. до наших дней, показало, что проложенные сквозь горные массивы хребта Малый Хинган Лагар-Аульский, Облученский, Казачинский, Тарманчуканский и Рачинский тоннели испытывают на себе всю сложность инженерно-геологических условий, характерную для таких горноскладчатых областей.

Достичь безопасности и надежности функционирования тоннелей невозможно без всестороннего и как можно более детального изучения их инженерно-геологических условий, поскольку в отличие от других транспортных сооружений, они полностью находятся в земной коре. Поэтому, в диссертационной работе, впервые для Хинганских тоннелей, освещены практически все вопросы инженерной геологии, имеющие для подземных сооружений первостепенную важность: геологическое строение и подземные воды, свойства горных пород и массивовотдельное внимание уделено изучению эндогенных процессов — неотектоники, и особенно сейсмичности. Основные результаты, полученные в работе заключаются в следующем.

1. Исследован опыт строительства реконструкции и эксплуатации тоннелей, выводы из которого обуславливают необходимость и дают первоначальное направление дальнейшего изучения. Установлено, что наибольшие трудности за период существования Хинганских тоннелей испытали Л агар-Аульский, Тарманчуканский и Рачинский. Первый — из-за не учета химического состава подземных вод при строительстве и неправильного выбора конструкции обделки при реконструкции, второй — по причине недооценки тектонической нарушенности массива при реконструкции, третийвследствие низких показателей физико-механических свойств горных пород и обводненности. Остальные тоннели, хотя и не имели таких серьезных проблем в прошлом, тоже имеют сложные инженерно-геологические условия, особенно Облученский, которые могут сказываться на их безопасной работе в будущем. Качественно новые данные были получены в результате геологической съемки и составлении карт районов тоннелей масштаба 1:10 ООО, в результате чего значительно уточнен петрографический состав горных пород, пройденных тоннелями и выделены пересекающие их тектонические разломы. В соответствии с этим, внесены изменения в данные о подземных водах и инженерно-петрологических условиях тоннелей.

2. Составлена классификация горных пород, участвующих в строении массивов тоннелей по физико-механическим свойствам и составу в свете новых, существенно дополненных данных о геологическом строении. Методами современного инженерно-геологического изучения горных пород выявлены связи между фюико-механическими свойствами и закономерности формирования этих свойств. С этой целью построены графики корреляционных зависимостей, позволяющие прогнозировать одно из важнейших физико-механических свойств горных пород — прочность на сжатие. С помощью сейсморазведочных данных изучена структурная неоднородность скальных массивов, вмещающих тоннели. Впервые примененные для этих тоннелей геофизические (сейсморазведочные) методы исследований благодаря своей информативности позволили перейти от горно-породного уровня к формационному, чего невозможно добиться с помощью лабораторных методов. Построенные масштабные кривые скоростей продольных и поперечных волн позволяют изучать характер и степень неоднородности массивов тоннелей и прогнозировать свойства пройденных ими горных пород в условиях их естественного залегания.

3. С помощью составленной карты неотектоники района тоннелей изучены закономерности новейших движений земной коры, приуроченность тоннелей к зонам региональных и неотектонических разломов, а также неотектоническим структурам — поднятиям и впадинам. Сделан анализ и выводы относительно их наиболее проблемных участков, испытывающих влияние разрывных нарушений, выраженное в наличии зон тектонического дробления и повышенной трещиноватости, связанной с новейшими движениями земной коры. Особо здесь стоит выделить условия Облученского тоннеля, пройденного в сбросовой части грабена, чем обусловлена раздробленность горных пород данного тоннеля, находящегося в зоне пересечения двух неотектонических разломов. Это основной фактор сложности его инженерно-геологических условий. Другие тоннели, особенно Тарманчуканский и Л агар-Аульский тоже испытывают влияние новейших движений по разломам, которые образуют в них наиболее опасные места — зоны повышенной тектонической трещиноватости. Для оценки интенсивности современных движений земной коры в районе Хинганских тоннелей был проведен анализ повторного нивелирования и составлены графики скоростей современных вертикальных движений, которые, как известно, могут дополнительно создавать условия для увеличения горного давления, повышать трещиноватость горных пород и усиливать процессы денудации в обозримых пределах срока службы тоннельных сооружений. Установлено, что по характеру и интенсивности движений земной коры район в целом и участки тоннелей тектонически спокойны на современном этапе.

4. Выполнено исследование сейсмического процесса на территории, прилегающей к тоннелям, которое показало, что сейсмическая опасность для них реальна и может привести к катастрофическим последствиям — полному выходу из строя тоннелей — самых уязвимых элементов в системе железной дороги. Сделан расчет повторяемости землетрясений, определены временные и пространственные закономерности сейсмического процесса в районе тоннелей, что говорит о возможности возникновения землетрясений в 7 и более баллов в непосредственной близости от каждого из них. Поэтому, на следующем этапе, были поставлены задачи практического характера — выполнение сейсмического микрорайонирования тех тоннелей, реконструкция которых еще не произведена и анализ сейсмического риска. Первая задача имела своей целью создать основу, для того чтобы рационально реализовать мероприятия по антисейсмической защите отдельных тоннелей — Тарманчуканского, Облученского и Лагар-Аульского. Сейсмическое микрорайонирование трасс тоннелей было выполнено с помощью результатов полевых сейсморазведочных исследований автора, описания свойств и состояния горных пород, пройденных тоннелями, из предыдущих разделов, с использованием формул и выражений, применяемых в инженерной сейсмологии. Наибольшую опасность имеет Облучеснкий тоннель — при фоновой балльности 8, интенсивность землетрясений в его припортальных частях может достигать 10 балловнаименьшую — Тарманчуканский, его самые опасные участки оцениваются в 8 баллов. Вторая задача решалась для оптимального проектирования, возможности выбора вариантов по антисейсмической защите железной дороги и представляла собой формализованную оценку сейсмического риска в рамках методологии анализа принятия решений, где тоннели подвергались сейсмическому воздействию, описанному в вероятностных терминах. При этом, построение расчетной схемы и использование выражений строго основывались на описании сейсмического процесса, сделанного в этой же работе. Полученные результаты позволяют оптимально подходить к антисейсмической защите тоннелей и железной дороги в целом, учитывая процентное снижение риска в результате принятия проектных решений.