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" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.07, кандидат геолого-минералогических наук Котлов, Олег Николаевич

• Котлов, Олег Николаевич
• кандидат геолого-минералогических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Котлов, Олег Николаевич

Введение.

Глава 1 Состояние изученности вопроса.

Глава 2 Организация гидрогеологического мониторинга при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей.

2.1 История строительства и эксплуатации транспортных тоннелей на участке Санкт-Петербургского метрополитена «Лесная» - «Площадь Мужества».

2.2 Геологическое и гидрогеологическое строение участка.

2.3 Результаты наблюдений по станциям наблюдательной сети за изменениями режима подземных вод.

Глава 3 Гидрогеологические исследования при проектировании транспортных тоннелей в песчано-глинистых отложениях.

3.1 Общие положения.

3.2 Опробование гетерогенных систем с использованием современных компьютерных средств и интерпретация результатов экспериментов с использованием численного геофильтрационного моделирования.

Глава 4 Использование численного моделирования для интерпретации результатов наблюдений за техногенным режимом подземных вод и прогноз возможных аварийных ситуаций при эксплуатации транспортных тоннелей.

4.1 Интерпретация результатов режимных наблюдений на локальных геофильтрационных моделях.

4.2 Интерпретация результатов режимных наблюдений на общей геофильтрационной модели участка палеодолины.

4.3. Оценка объема песчаных пород, который может быть вынесен в тоннель при нарушении целостности обделки тоннелей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 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. Коротков) 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.

Заключение диссертации по теме «Гидрогеология», Котлов, Олег Николаевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Котлов, Олег Николаевич, 2007 год

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

2. Боревский Б.В., Язвин JI.C. Опыт определения расчетных гидрогеологических параметров по данным групповых откачек. Разв. и охр. недр, №4, 1963

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

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

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

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

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

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

9. Герсеванов Н. М., Польшин Д.Е. Теоретические основы механики грунтов. М., Госстройиздат, 1948. 247 е., с. 35 38.

10. Ю.Гидрогеологические исследования в горном деле. Под ред. В.А. Мироненко. М., Недра, 1977

11. П.Грабарь А.В. Закономерности формирования водопритоков в горные выработки Северо-Муйского тоннеля. В кн. Материалы XIV конференции молодых научных сотрудников по геологии и геофизике

12. 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

13. 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

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

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

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

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

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

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

20. Маньковский Г. И. О горной геомеханике.-«Научные сообщения Института горного дела», 1962, т.ХУН, с. 3-8

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

22. Методические указания по изучению и прогнозу техногенного режима подземных вод при освоении угольных месторождений, часть I, СПб, ВНИМИ, 1992, с. 65-76.

23. Мироненко В. А., Шестаков В. М. Основы гидрогеомеханики. М., «Недра», 1974. 298 е., с. 28, 200 204.

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

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

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

27. Мироненко В.А., Стрельский Ф.П. Практическое применение гидрогеомеханики в целях повышения промышленной и экологической безопасности горных работ «Инженерная геология». АН СССР. 1989. №5. с 3-14.

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

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

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

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

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

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

34. 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

35. 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.

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

37. 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

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

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

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

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

42. 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. 200064.«Размыв. История преодоления». Гл. редактор Кулагин Н.И., Москва, 2005.

43. Роза С.А. Расчет осадки гидроэлектростанции. М - JL, Гоэнергоиздат, 1959. 330с

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

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

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

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

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

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

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

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

52. Шабынин JI.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

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

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

55. Шестаков В.М., Кузнецова Н.А. Фильтрационная устойчивость песчаных откосов. «Труды института ВОДГЕО», М., ГИЛ по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1958, с 273 305.

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

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

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

59. 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.

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

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

62. 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

63. 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

64. 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.

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

66. 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.

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