В данной статье рассматриваются основные причины нарушения окружающей среды при подземном строительстве хранилищ углеводородов, и методы прогнозирования геомеханических процессов, которые позволяют выбрать необходимые планировочные, горнотехнические и конструктивные меры инженерной защиты.
Основные причины, приводящие к нарушениям окружающей среды и развитию геомеханических явлений при подземном строительстве, состоят в следующем.
- Понижение уровня безнапорных и напорных водоносных горизонтов в районе подземного строительства вызывает осадки, радиус распространения которых в этом случае может достигать тысячи метров. Возникшие локальные опускания имеют тенденцию к слиянию и переходу в региональные, так как водопотребление постоянно увеличивается.
- Строительство подземных сооружений, в частности, метрополитена приводит к опусканию узкой полосы территории шириной несколько сотен метров.
- Под действием статических нагрузок (веса наземных сооружений) образуются осадочные воронки, которые распространяются за пределы зданий на десятки метров. Динамические нагрузки от транспорта распределяются вдоль дорог, на небольших участках сказывается влияние вибрационных и других механизмов.
- Изменяется режим влажности пород и разложения органических веществ в зоне аэрации.
Решению проблемы окружающей среды в рассмотренных случаях должна предшествовать разработка четкой стратегии и тактики ее инженерной защиты от вредных геомеханических воздействий [1].
Для защиты окружающей среды от экологического дисбаланса, вызванного активизацией геомеханических процессов в результате подземного строительства, а также для защиты подземного объекта от описанных выше явлений применяют следующие основные меры инженерной защиты.
- Профилактические меры, предназначенные для предотвращения или снижения вредного влияния горно-строительных работ, подразделяющиеся на две группы:
- заблаговременные, выполняющиеся в период составления генеральных планов застройки;
- текущие, принимающиеся в период выбора и привязки площадок для строительства конкретных подземных объектов.
Профилактические мероприятия направлены, прежде всего, на предотвращение вредных последствий подработки и заключаются во взаимной увязке горных работ и строительства объектов, дополнительном укреплении отдельных конструкций подземного сооружения, инъектировании трещин, исключении концентрации напряжений в несущих конструкциях объектов. К профилактическим мерам защиты также относится прогноз величин сдвижений и деформаций горных пород и земной поверхности. Прогноз осуществляют поэтапно, на каждом из этапов в зависимости от полноты исходных данных определяют ожидаемые и вероятные максимальные величины сдвижений земной поверхности и деформации горных пород. К прогнозируемым параметрам процесса сдвижения земной поверхности относят:
- характер и максимальные величины оседаний и деформаций земной поверхности на участке строительства, достигаемых за расчетный период службы объектов;
- средние скорости оседания земной поверхности в течение срока службы объекта (или активной стадии процесса сдвижения);
- продолжительность процесса сдвижения и срок начала его активизации;
- местоположение трещин и уступов в плане и их вертикальные размеры.
В настоящее время существуют два основных направления теоретических исследований прогнозирования сдвижений и деформаций породного массива и земной поверхности, основанных на схематизации этих процессов с применением точных и приближенных методов.
Точные методы предусматривают решение задачи о распределении напряжений и деформаций в массиве, вмещающем подземное сооружение, с использованием аппарата механики сплошной или дискретной среды: теорий упругости, пластичности, предельного равновесия и т.п. Выбор метода определяется, прежде всего, конкретными геологическими условиями, поскольку математическая модель породного массива должна отражать реальные прочностнодеформационные свойства грунтов и их структурно-механические особенности (сплошность, неоднородность, анизотропность), реологические свойства и т.п. Так, при прогнозе геомеханических процессов в прочных однородных грунтах, обладающих упругими свойствами, целесообразно применять методы теории упругости, отождествляя породный массив с линейно-деформируемой средой. При прогнозе деформаций в массиве с ярко выраженными реологическими свойствами решают упруго пластичную задачу с применением методов теории пластичности и ползучести. Прогноз поведения слабых неустойчивых пород, обладающих незначительным сцеплением, подчиняется законам сыпучей среды и теории предельного равновесия.
Окружающая среда является очень подвижным организмом, чутко реагирующим на любое техногенное вмешательство, причем изменения происходят не всегда в районе непосредственного воздействия человека. Поэтому при прогнозировании методом сплошной или дискретной среды иногда невозможно учесть влияние на процесс сдвижения и деформаций горных пород и земной поверхности технологических особенностей строительства подземных сооружений и фактор времени. В связи с этим в практических расчетах развития геомеханических процессов чаще всего используют приближенные методы. В ряде случаев находит применение метод расчета сдвижений и деформаций, в соответствии с которым породная толща над подземным сооружением рассматривается как балка с защемленными концами под действием равномерно распределенной нагрузки. При этом кривая, ограничивающая мульду сдвижения, аппроксимируется линией прогиба верхней фибры балки. Такое допущение позволяет определять оседание земной поверхности в любой точке мульды сдвижения над подземным сооружением как прогибы балки [2].
Для проверки результатов теоретического прогноза и установления действительного характера появления сдвижений и деформаций горных пород и земной поверхности при строительстве подземных сооружений проводят экспериментальные исследования в лабораторных и натурных условиях. Лабораторные исследования выполняют на моделях уменьшенного масштаба с соблюдением условий подобия между моделью и натурным объектом. Воспроизведение механических процессов, происходящих в породном массиве при подземном строительстве, в большинстве случаев осуществляют посредством физического моделирования с применением методов эквивалентных материалов, структурных моделей, центробежного и т.п.
Использование метода эквивалентных материалов, как наиболее распространенного, позволяет спрогнозировать механизм сдвижений и деформаций породного массива, проследить влияние на этот процесс определяющих факторов и выявить характер возможных нарушений земной поверхности. При этом достигается высокая точность получаемых результатов, имеется возможность имитировать слоистость, трещиноватость, неоднородность породного массива, технологию строительства подземного объекта и пр.
Экспериментальные исследования в натурных условиях включают в себя наблюдения за процессами сдвижения и деформаций породной толщи, а также наземных зданий по трассе подземного сооружения на различных этапах его строительства и эксплуатации. При этом производят систематические измерения вертикальных и горизонтальных смещений земной поверхности и породного массива и определяют основные параметры процесса сдвижения: граничные углы, наклоны, кривизну мульды сдвижения, горизонтальные деформации, растяжения и сжатия, скорости оседания, периоды опасных деформаций и т.п. Кроме того, фиксируются все видимые дефекты и повреждения элементов зданий, находящихся в зоне влияния подземного сооружения.
Программа исследований, устанавливающая длительность, периодичность и методику измерений, должна учитывать конкретные градостроительные и инженерно-геологические условия, глубину заложения подземного сооружения, способ его строительства и т.п. Обычно измерения начинают до проведения подземной выработки и прекращают через несколько лет после ввода сооружения в эксплуатацию. Это позволяет обнаружить появление сдвижений и деформаций на первой стадии и проследить динамику их развития во времени вплоть до полного затухания. Для реализации программы исследований организуют специальные наблюдательные станции, располагая их по трассе строящегося сооружения.
Применение геофизических методов измерений сдвижений и деформаций породного массива (скважинного акустического каротажа, гравиметрии, сейсмометрии, магнитометрии и пр.) дает возможность осуществлять автоматизированный контроль за нарушением поверхностных условий в процессе строительства подземного сооружения и корректировать его режим в соответствии с развитием геомеханических процессов.
По результатам натурных наблюдений и измерений строят графики оседаний, горизонтальных сдвижений и деформаций породного массива и земной поверхности на различных стадиях строительства подземного объекта по линиям установки реперов и приборов. Это дает возможность оценить характер и интенсивность проявления геомеханических процессов и внести необходимые уточнения в технологию проходки подземных выработок с целью минимальных нарушений окружающей среды и обеспечения устойчивости расположенных поблизости зданий и сооружений.
Прогнозирование характера и интенсивности процессов сдвижения и деформаций породного массива и земной поверхности позволяет выбрать необходимые планировочные, горнотехнические и конструктивные меры инженерной защиты.
- Планировочные меры предусматривают такое расположение подземного сооружения в плане, при котором осадки и деформации земной поверхности будут иметь минимальные значения и не будут влиять на состояние зданий и инженерных коммуникаций. Это достигается трассированием подземных сооружений преимущественно под малозастроенными участками городской территории, под скверами, парками, площадями, магистралями, под участками с малоценной застройкой и зданиями, подготовленными к сносу, и т.п.
- Горнотехнические меры, направленные на уменьшение деформаций земной поверхности и подрабатываемых объектов, предусматривают:
- специальные методы ведения горных работ;
- оставление предохранительных целиков.
Эти методы воздействуют на величину деформаций, знак, направление и интенсивность развития деформаций и их характер. К горнотехническим мероприятиям относят: закладку выработанного пространства, уменьшение вынимаемой мощности пласта, гармоничную отработку пластов, опережающую отработку защитных пластов, смещение границ выработок, применение компенсационных траншей и разгрузочных щелей и т.п.
Конструктивные меры, имеющие целью приспособить здания и сооружения к восприятию деформаций с минимальным негативным эффектом, подразделяют на:
- полные, рассчитываемые по жесткой или гибкой схеме на весь срок службы подземного объекта;
- сокращенные, направленные на выравнивание или поддомкрачивание наземных зданий, а также на защиту коммуникаций с помощью компенсаторов [3].
Конструктивные меры, по сути, сводятся к применению несущих конструкций, наиболее рациональных с точки зрения ограничения нарушений устойчивости породного массива в процессе строительства подземного сооружения. Этим требованиям в наибольшей степени отвечают конструкции обделок из набрызг бетона, монолитно-прессованного бетона, а также сборных чугунных и железобетонных обделок, обжатых распором в окружающую породу. Такие обделки возводят без зазора с контуром выработки, что исключает первичное нагнетание тампонажной смеси и обеспечивает сравнительно быстрое вступление обделок в совместную работу с вмещающим массивом, ограничивая сдвижения и деформации последнего. Эффективность применения обжатых в породу обделок, однако, с точки зрения предотвращения осадок земной поверхности, в значительной степени снижается за счет упругого обжатия самой обделки, на долю которого тратится до 50% распорного усилия.
Наиболее действенными являются технологические меры, направленные на устранение причин развития сдвижений и деформаций. Эти меры касаются главным образом последовательности и технологии разработки породы в забое и крепления выработки.
Технологические меры дифференцированы в зависимости от способа строительства подземных сооружений в различных инженерно-геологических условиях.
Так, при строительстве подземных выработок горным способом в нарушенных скальных и полускальных грунтах с целью уменьшения деформации горных пород исключают или ограничивают применение буровзрывных работ, особенно при заложении подземного сооружения на небольшой глубине под застроенной территорией. В этом случае целесообразно применение тоннеле-проходческих машин, которые создают минимальные переборы грунта в забое и незначительные динамические воздействия на породный массив. В качестве временной крепи целесообразно использовать набрызгбетон, стальные и сталеполимерные анкеры, которые практически сразу же после установки вступают в работу и стабилизируют систему «подземное сооружение — породный массив».
В слабых водонасыщенных породах наименьшие нарушения имеют место при проведении выработок щитами с пригрузочными камерами, заполненными под давлением сжатым воздухом, водой или бентонитовой суспензией. C целью снижения деформаций горных пород щитовую проходку следует вести равномерно с большими скоростями без длительных остановок. В слабых, неустойчивых грунтах целесообразно применять способ вдавливания немеханизированного щита, что уменьшает осадки земной поверхности на 15-20% по сравнению с обычной технологией.
При строительстве тоннелей щитами с обычными жесткими оболочками важное значение для уменьшения подвижек грунта имеет своевременное и равномерное заполнение зазора между обделкой и контуром выработки в зоне хвостовой оболочки щита. Чтобы исключить возможное обрушение грунта в строительный зазор во время передвижки щита, нагнетание тампонажных материалов следует производить непосредственно за монтируемое кольцо обделки. Опыт щитовой проходки тоннелей в несвязных грунтах показывает, что это обеспечивает заполнение заобделочного пространства до передвижки щита и уменьшает максимальные осадки на 20-30%.
При строительстве подземных сооружений способом продавливания для устранения возможных сдвижений и деформаций земной поверхности принимают меры по предотвращению обрушения грунта в забое. В связи с отсутствием строительного зазора оседания земной поверхности при продавливании в общем случае меньше, чем при щитовой проходке, однако могут возникнуть значительные горизонтальные сдвижения и деформации грунтового массива. Для уменьшения величин горизонтальных сдвижений и деформаций стремятся снизить силы трения между обделкой и грунтом, применяя антифрикционные ленты, нагнетая за обделку бентонитовую суспензию или другие маловязкие составы.
Одной из наиболее радикальных мер по устранению или уменьшению сдвижений и деформаций при строительстве городских подземных сооружений является применение специальных способов закрепления неустойчивых грунтов. Путем химического закрепления грунта над подземной выработкой создается несущий свод, воспринимающий давление вышележащей толщи и практически устраняющий сдвижения и деформации земной поверхности,
Приведенные выше некоторые конструктивно-технологические меры способствуют уменьшению сдвижений и деформаций породного массива и земной поверхности при строительстве подземных объектов, однако не всегда полностью исключают нарушение поверхностных условий.
В связи с этим в ряде случаев принимают специальные меры по защите фундаментов зданий, инженерных коммуникаций и других объектов, расположенных в зоне влияния подземного сооружения.
Комплексные меры, сочетающие любые из перечисленных мер, а также постоянный инструментальный и визуальный контроль. Выбор комплексных мер определяется горнотехническими, горно-геологическими и гидрологическими условиями, экономическими расчетами, экологической ситуацией и другими факторами.
Таким образом, вариациями различных мероприятий инженерной защиты подземных и наземных сооружений от деформаций горных пород и земной поверхности можно управлять напряженно-равновесным состоянием массива горных пород, снижая негативный эффект от возникающих в результате техногенной деятельности тектонических разломов, трещин, карстовых полостей, каверн, пор, зон ослабления и тем самым способствуя восстановлению экологического баланса окружающей среды. Более того, комбинацией описанных мер в конкретных условиях возможно добиться ситуации, когда частично или почти полностью сохраняются ранее существовавшие природные условия в породах, массив горных пород включается в работу системы «подземное сооружение — массив горных пород — выбранная технология», формируя с сооружаемым или эксплуатируемым объектом комплексное целое и препятствуя развитию неблагоприятных по своим последствиям изменениям в окружающей среде.
Поэтому основной целью выбора мероприятия инженерной защиты окружающей среды от развития геомеханических процессов является изыскание комплексного воздействия как на породный массив, так и на несущие и ограждающие конструкции подземного объекта и на перераспределяющиеся под влиянием техногенного вмешательства физические поля, прежде всего гравитационно-тектоническое (напряжений), гидродинамическое, гидрогеохимическое, тепловое и сейсмическое.
ВЫВОДЫ
В заключение отметим, что критерием эффективности защиты территорий от геомеханических преобразований в пределах горно-строительной площадки является коэффициент эффективности.
Знание и умелое использование подобных закономерностей позволяет управлять размерами и конфигурацией санитарно-защитной зоны в пределах участка подземного строительства, создавая эффективную инженерную защиту окружающей среды от негативных последствий горно-строительных работ, причем в работу включаются не только инженерные приемы, но и отдельные природные элементы.
Список литературы
- Экология, охрана природы и экологическая безопасность: Учеб, пособие для вузов / Под общ. ред. В.И. Данилова-Данильяна. -M.: МНЭПУ, 1997.
- Умнов А.Е. Охрана природы и недр в горной промышленности. -M.: Недра, 1987.
- Правила обустройства и безопасной эксплуатации подземных хранилищ природного газа в отложениях каменной соли. ПБ-08-83-85. -M.: ИРЦ «Газпром», 1995.