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»

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 наблюдения за этими процессами, численное моделирование для изучения и прогноза этих процессов.

Научные защищаемые положения:

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.

2. Для обеспечения эффективного контроля безопасной эксплуатации транспортных тоннелей необходимо использование численных геофильтрационных моделей, отражающих сложный трехмерный поток подземных вод в фильтрационно-неоднородном массиве песчано-глинистых отложений.

3. Прогноз объемов выноса песчаных отложений при аварийном нарушении целостности обделки тоннелей выполняется с использованием разработанной методики, основанной на сочетании численного геофильтрационного моделирования с аналитической оценкой гидрогеомеханических процессов оплывания и переноса песков.

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.

Прикладная новизна.

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.

— 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.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителюдоктору 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. Коротков) профессору Р. Э. Дашко, профессору В. А. Кирюхину, доценту Н. С. Петровуавтор 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.

Заключение

.

В диссертации решена актуальная научно-техническая задача по разработке научно-методических принципов гидрогеологического мониторинга при строительстве и дальнейшей эксплуатации транспортных тоннелей в песчано-глинистых отложениях.

Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. Установлены основные закономерности изменения гидродинамического режима и напряженного состояния водонасыщенных песчано-глинистых отложений при проходке тоннелей специальным комплексом с гидропригрузом забоя.

2. Предложены критерии опасных ситуаций при проходке и эксплуатации транспортных тоннелей, основанные на контроле состояния массива песчано-глинистых пород с применением датчиков гидростатического давления.

3. Доказано, что для обеспечения контроля безопасности строительства и эксплуатации транспортных тоннелей необходима организация гидрогеологического мониторинга, направленного на оценку напряженного состояния.

4. На примере выполненного опробования комплекса песчано-глинистых отложений, предложена методика планирования опытных откачек и интерпретации их результатов при инженерно-геологических изысканиях на трассах тоннелей.

5. Разработана методика создания численных геофильтрационных моделей для интерпретации результатов наблюдений за техногенным режимом подземных вод при проходке транспортных тоннелей специальным комплексом с гидропригрузом забоя.

6. На основе результатов натурных наблюдений по 56 датчикам гидростатического давления и нескольким открытым пьезометрам региональной сети впервые создана численная геофильтрационная модель, учитывающая особенности формирования режима подземных вод в пределах палеодолин на территории Санкт-Петербурга.

7. Обоснована методика прогноза выноса песчаных отложений при аварийном нарушении целостности обделки тоннелей, базирующаяся на сочетании численного геофильтрационного моделирования с аналитической оценкой гидрогеомеханических процессов.

8. Разработаны практические рекомендации по планированию и проведению гидрогеологического мониторинга при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей.