Разработка методики прогноза инженерно-геологических условий проведения горизонтальных горных выработок подземных сооружений в г. Москве тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.16, кандидат технических наук Гальперин, Олег Анатольевич

• Гальперин, Олег Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гальперин, Олег Анатольевич

Введение.

Глава 1. Характеристика горно-геологических условий возведения подземных сооружений в г. Москве.

1.1. Краткий обзор состояния подземного строительства в г. Москве.

1.2. Стратиграфия и литология.

1.3. Условия залегания и трещиноватость пород.

1.4. Гидрогеологические условия.

1.5. Инженерно-геологические условия.

Глава 2. Инженерно-геологическая типизация массивов горных пород применительно к строительству и эксплуатации подземных сооружений в г. Москве.

2.1. Характеристика особенностей геологического разреза объектов исследований.

2.2. Типизации массивов горных пород, вмещающих горизонтальные выработки подземных сооружений.

2.3. Характеристики выявленных типов массивов и оценка эффективности способов проведения горизонтальных горных выработок.

2.3.1. Массив сложен раздельнозернистыми породами.

2.3.2. Массив сложен глинистыми породами.

2.3.3. Массив двухслойный - глинистые породы сверху, раздельнозернистые - снизу.

2.3.4. Массив двухслойный - раздельнозернистые породы сверху, глинистые снизу .!.

2.3.5. Массив многослойный - представлен чередованием раздельнозернистых и глинистых пород.

2.3.6. Массив сложен карбонатными породами.

2.3.7. Массив двухслойный - раздельнозернистые породы сверху, карбонатные - снизу.

2.3.8. Массив двухслойный - карбонатные породы сверху, раздельнозернистые - снизу.

2.3.9. Массив двухслойный - глинистые породы сверху, карбонатные - снизу.

2.3.10. Массив двухслойный - карбонатные породы сверху, глинистые - снизу.

2.3.11. Массив многослойный - представлен чередованием глинистых и карбонатных пород.

2.3.12. Массив многослойный - представлен чередованием раздельнозернистых, глинистых и карбонатных пород.

2.3.13. Массивы техногенных образований.

2.4. Оценка относительной сложности условий проведения горизонтальных горных выработок в выделенных типах массивов горных пород на территории г.Москвы.

Выводы.

Глава 3. Исследования изменений гипсометрии глинистых отложений и уровней подземных вод в геологическом разрезе г. Москвы.

3.1. Цель и задачи исследований.

3.2. Прогноз инженерно-геологических условий проведения горных выработок в зависимости от обводненности горных пород

3.3. Определение значений уклонов залегания кровли и почвы пластов слабопроницаемых пород и зеркала подземных вод.

3.4. Апробация результатов определения значений уклонов залегания элементов ограничения пластов слабопроницаемых пород и зеркала подземных вод.

3.5. Результаты исследований характеристик изменчивости залегания кровли (почвы)

Ф слабопроницаемых пород и зеркала подземных вод.

3.6. Методика прогноза инженерно-геологических условий проведения горизонтальных и наклонных горных выработок подземных сооружений с учетом способа производства работ.

Выводы.

Глава 4. Использование результатов исследований при разработке ТЭО строительства коллекторов глубокого заложения на участке Черкизово-Перово в г. Москве.

4.1. Общие сведения о подземном сооружении и о разведанности трассы.

4.2. Оценка инженерно-геологических условий сооружения коллектора.

4.3. Оценка степени разведанности трассы.

4.4. Оценка условий строительства КТГЗ с учетом изменения отметок его заложения и типа массива разрабатываемых пород.

4.5. Применение опережающего бурения для доразведки при проведении горизонтальных горных выработок подземных сооружений.

4.6. Мониторинг состояния массива горных пород.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики прогноза инженерно-геологических условий проведения горизонтальных горных выработок подземных сооружений в г. Москве»

Актуальность работы. Город Москва, один из крупнейших мегаполисов мира, интенсивно развивается в последние годы, что обусловлено его расположением, плотностью застройки, численностью коренного населения и приезжих, количеством автотранспорта, инженерной инфраструктурой и высокой техногенной нагрузкой. Подобная ситуация порождает необходимость освоения подземного пространства города. Предусматривается дальнейшее строительство метрополитена, коллекторов подземных коммуникаций, подземных пешеходных переходов, сооружение магистральных трубопроводов водо-, газо- и теплоснабжения; строительство коммуникационных тоннелей, заглубленных гаражей, автотранспортных тоннелей и развязок под площадями города и т.д.

Строение геологического разреза территории города, обводненность горных пород, некоторые недостатки нормативной документации по инженерно-геологическому изучению условий их производства и, в отдельных случаях, нарушение строительных технологий работ, а также недостаточный контроль со стороны геологической службы предопределили возникновение ряда аварий, связанных с природными и техногенными перемещениями подземных вод и плывунов. Изложенное свидетельствует об актуальности темы диссертации и соответственно необходимости разработки методов прогноза и контроля состояния горизонтальных горных выработок, сооружаемых в сложных инженерно-геологических условиях города Москвы.

Целью работы является разработка методов прогноза и контроля состояния геологической среды, обеспечивающих безаварийные возведение и эксплуатацию разнообразных горизонтальных подземных выработок в городских условиях.

Идея работы заключается в установлении связей между инженерно-геологическими характеристиками массива горных пород, технологическими характеристиками подземных сооружений и способами их возведения для обоснования методов прогноза и контроля состояния геологической среды.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Определение пространственной ориентации горизонтальных горных выработок подземных сооружений следует производить с учетом выполненной типизации геологического разреза по литолого-технологическим признакам, согласно которой в пределах разреза выделено 12 природных и 5 природно-техногенных типов массивов горных пород и от 2 до 4 подтипов в каждом из них.

2. Прогноз инженерно-геологических условий проведения горизонтальных горных выработок подземных сооружений должен базироваться на совокупном учете природных и технологических факторов, включающих уклоны кровли (почвы) и градиенты уровней (напоров) подземных вод в окрестности выработки, методы и способы проведения выработок, габариты подземного сооружения и уклоны их заложения.

3. Изменчивость условий залегания глинистых отложений в пределах площади города целесообразно оценивать с использованием составленной план-схемы территории г.Москвы

4. При выборе трасс горизонтальных подземных сооружений рекомендуется использовать разработанную методику прогноза инженерно-геологических условий, позволяющую: составлять количественную оценку степени разведанности трасс; обоснованно отстраивать поперечные профили; устанавливать возможность использования полученных ранее данных по инженерно-геологическим скважинам; определять направление и глубину бурения опережающих шпуров при проведении выработок под защитой предохранительных целиков.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются: использованием представлений инженерной геологии массивов горных пород при разработке типизации массивов, вмещающих горизонтальные горные выработки подземных сооружений; представительным объемом геологической документации по действующим и проектируемым подземным объектам при установлении зависимостей между уклонами водоупорных пластов и обводненностью горных пород, позволяющих выбирать оптимальные технологические схемы проведения горных выработок; результатами апробации полученных аналитических соотношений, показавшими высокую надежность, что позволило ввести количественную оценку достоверности и доли риска пользования зависимостями.

Научное значение работы: разработана методика выбора оптимального варианта пространственной ориентации горных выработок и адекватного геологическим условиям способа производства горно-проходческих работ; прогноз инженерно-геологических условий строительства и эксплуатации подземных сооружений выполняется с использованием предложенных зависимостей для количественной оценки геоморфологических характеристик слоев глинистых пород - водоупоров; разработана методика прогноза инженерно-геологических условий строительства и эксплуатации подземных сооружений, установлены на основе анализа данных многолетних исследований инженерно-геологические характеристики горных пород при минимальном объеме новых инженерно-геологических изысканий.

Практическое значение работы заключается в возможности выполнять проектирование подземных сооружений с использованием уточненных инженерно-геологических характеристик горных пород, типа массива и используемой технологии производства горно-строительных работ.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанная методика прогноза инженерно-геологических условий подземного сооружения используется Мосинжпроектом при проектировании трассы коллектора между Черкизовской и Перовской насосными станциями в г.Москве и при проведении горизонтальных выработок по бестраншейным технологиям (горизонтальное направленное бурение, микротоннелирование) фирмой «КапСтройТраст».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на симпозиуме «Неделя горняка» в МГТУ в 1997 и 2001 гг., на научно-практической конференции «Потенциал Московских вузов и его использование в интересах города» в Государственном Университете по землеустройству, Москва, 1999 г., на семинарах кафедр ФГП и геологии МГТУ (2001-2003 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 63 наименований, содержит 27 рисунков, 40 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр», Гальперин, Олег Анатольевич

ВЫВОДЫ

Анализ геологических материалов, подготавливаемых к составлению технико-экономического обоснования строительства коллекторов глубокого заложения на участке Черкизово-Кусково в г. Москве позволил из трех вариантов их размещения в плане и трех подвариантов, выделяемых по глубине заложения, по особенностям инженерно-геологических условных района производства работ определить наиболее целесообразные - центральный вариант и подвариант глубокого заложения.

В районе приводятся детальные проработки вопросов, связанных с до-разведкой трассы, оценкой условий производства горно-строительных работ и решение задачи об опережающем бурении.

1. Выполненные расчеты по предлагаемой в 3-ей главе методике позволили оценить степень разведанности отдельных участков трассы, ограниченных уже пробуренными скважинами и определить число скважин, которое следует добурить; количественно оценить риск при инженерно-геологической разведке. При 99% степени достоверности их потребуется 14, что в значительной степени сократит общий объем буровых работ.

Предложена методика определения прогнозируемых расстояний между инженерно-геологическими скважинами по мощности юрско-каменноугольных образований над сводом коллектора (рис. 4.3.1).

2. Рассмотрение типов массивов горных пород, которые будет пересекаться коллектором, позволил определить глубину его заложения с наиболее благоприятными литолого-гидрогеологическими условиями. Для этого его ось должна быть смещена вверх на 4-6 м.

3. Для вскрытия эрозионных образований при доразведке трасс с использованием опережающего бурения шнуры должны размещаться в своде выработки под углом 22° и иметь глубину на 10% больше расчетной мощности предохранительного целика со стороны свода, под защитой которого проводится горная выработка.

4. Достижение эффективности ведения горных работ в городских условиях и повышение экологической безопасности окружающей среды возможно при проведении мониторинга с привлечением рекомендуемых натурных методов получения информации о состоянии массива горных пород.

5. Материал диссертации использован в практической деятельности в фирме «КапСтройТраст», выполняющей горизонтальное направленное бурение для прокладки коллекторов, кабелей, трасс водо- и газоснабжения. Инженерно-геологическая информация, использованная для обоснования выбора трассы кабельного перехода под рекой Москва (район «Фили», глубина 8 м, длина трассы 250 м, диаметр бурения 4x160 мм), в г. Внуково (прокладка кабеля, 0160 мм, глубина 3 м, длина 180 м).

Заключение

В результате выполненных исследований решена актуальная научная задача разработки методов прогноза инженерно-геологических условий проведения горизонтальных горных выработок подземных сооружений в г. Москве.

1. По литологическому составу массива горных пород г. Москвы в зависимости от положения в нем подземных сооружений может быть выделено 12 природных и 5 техногенных типов массивов, определяющих необходимость применения определенных технологий в зависимости от физико-механических свойств пород.

2. По степени и характеру обводненности пород массива в каждом его типе может быть выделено 2-4 подтипа, предопределяющие необходимость применения при проведении горных выработок специальных способов упрочнения и обезвоживания пород массива - призабойного водоотлива, водопонижения, метода "стена" в грунте, замораживания, химического закрепления, цементации пород, кессона или комбинаций специальных способов.

3. Выделенные типы и подтипы комплексов пород, слагающих геологический разрез территории г. Москвы, позволяют определить наиболее эффективные и безопасные способы и методы производства инженерно-геологической разведки и горно-проходческих работ, путем размещения выработок подземных сооружений в более благоприятных условиях.

4. На основании статистической обработки инженерно-геологических профилей значительной протяженности, отобранных по большей части площади г. Москвы, получены значения уклонов залегания кровли, почвы пластов слабопроницаемых пород и зеркала подземных вод, позволяющие характеризовать изменчивость параметров выделенных типов и подтипов породного массива и выполнять расчеты по прогнозу инженерно-геологических условий горных выработок с использованием различных специальных методов. Уклоны бортов эрозионных образований водонепроницаемых толщ геологического разреза - среднестатистическое значение по площади территории г. Москвы - 6° (0,1 дол.ед.) с вероятностью проявления 80% и 22° (0,4 дол.ед.) с вероятностью проявления до 99%. Количественная оценка этих показателей по использованным данным для территории г. Москвы приведена на план-схеме города.

5. Полученные аналитическим путем зависимости позволили разработать методику прогноза инженерно-геологических условий при разведке и проведении трасс горизонтальных и наклонных горных выработок подземных сооружений, учитывающую:

- особенности используемых специальных методов обезвоживания и упрочнения горных пород массивов;

- основные характеристики подземного сооружения - его габариты, уклоны проведения и местоположение в геологическом разрезе; геоморфологическую изменчивость кровли, почвы водонепроницаемой толщи и уровневой поверхности подземных вод, залегающих над водоупором и ниже него.

6. Использование результатов выполненной работы при определении оптимального положения трассы коллектора в плане и по глубине на участке протяженностью около 11 км между Черкизовской и Перовской насосными станциями в г. Москве позволяет: сократить затраты на буровые работы за счет сокращения количества скважин с 50 до 27, обеспечить максимально благоприятные условия для разведки и строительства.

7. Достижение эффективности ведения горных работ в городских условиях и повышение экологической безопасности окружающей среды возможно при проведении мониторинга с привлечением рекомендуемых натурных методов получения информации о состоянии массива горных пород.

8. Материал диссертации использован в практической деятельности в фирме «КапСтройТраст», выполняющей горизонтальное направленное бурение для прокладки коллекторов, кабелей, трасс водо- и газоснабжения. Инженерно-геологическая информация, использованная для обоснования выбора трассы кабельного перехода под рекой Москва (район «Фили», глубина 8 м, длина трассы 250 м, диаметр бурения 4x160 мм), в г. Внуково (прокладка кабеля, 0160 мм, глубина 3 м, длина 180 м).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гальперин, Олег Анатольевич, 2004 год

1. Апродов В. А., Апродова A.A. Движение земной коры и геологическое прошлое Подмосковья. - Изд. МГУ, 1963.

2. Башмаков В.М., Живодеров В.Н. Подземные и специальные работы на строительстве и реставрации объектов. // Горный вестник, 1997, № 4.

3. Бахирева JI.B. и др. Оценка геологического и геохимического риска в схемах охраны геологической среды культурно-исторических зон (на примере Московского региона). // Инженерная геология, 1989, № 6.

4. Березкина Г.М. и др. Инженерно-геологические особенности глинистых пород Москвы в зависимости от условий их залегания. // Инженерная геология, 1985, № 1.

5. Гальперин A.M., Зайцев B.C., Норватов Б.А. Гидрогеология и щ инженерная геология. М., Недра, 1989.

6. Гальперин A.M., Зайцев B.C. Практикум по инженерной геологии. -М.: МГГУ, 1994.

7. Бочевер Ф.М., Просенков В.И., Язвин Л.С. Подземные воды Москвы и Подмосковья. // Городское хозяйство Москвы, 1966, № 10.

8. Гидрогеология и инженерная геология. Лабораторные методы исследований. // Межвузовский сборник, НПИ, 1982.

9. Гидрогеология и инженерная геология. Полевые методы исследований. // Межвузовский сборник, НПИ, 1981.

10. Гидрогеология и инженерная геология. Математические методы анализа информации. // Межвузовский сборник, НПИ, 1977.

11. Голодковская Г.А., Лебедева Н.И. Инженерно-геологическое районирование территории г. Москвы. // Инженерная геология, 1984, № 3, с. 87-102.

12. Даньшин Б.М., Головина Е.В. и др. Москва. Геологическое в строение, 1934.

13. Даньшин Б.М. и др. Геологическое строение и полезные ископаемые г. Москвы и окрестностей. Изд. МОИП, 1947.

14. Епишин В.К., Зеегофер Ю.О. и др. Проблемы инженерной геологии Москвы. // Проблемы инженерной геологии в связи с рациональным использованием геологической среды. Материалы Всесоюзной конференции. -Л., 1976.

15. Егорычева М.Н. Типизация геологической среды территории г. Москвы по условиям строительства метрополитена. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. М., МГУ, 1997.

16. Зайцев А.С. Инженерная геология Московского Кремля. // Разведка и охрана недр, 1993, № 2.

17. Инженерная геология СССР. Т.1. Русская платформа. Под ред. И.С.Комарова. М., МГУ, 1978.

18. Инструкция по инженерно-геологическим изысканиям для проектирования и строительства метрополитенов горных железнодорожных и автодорожных тоннелей. // М., ВСН 190-78 Минтранстрой, 1978.

19. Инженерно-геологические условия территории г. Москвы. // Справочник в 3-х томах. Веритский Н.Г., Чеклина Е.А., Мысловский А.М., Зеегофер Ю.О. и др. 1981.

20. Инструкция по проектированию зданий и сооружений в районах г. Москвы с проявлением карстово-суффозионных процессов. // Мосгоргеотрест, 1984.

21. Картозия Б.А., Малюженец Д.Г. Решение проблемы риска в подземном строительстве. // Горный вестник, 1997, № 4.

22. Картозия Б.А., Мельникова С.А. и др. Прогнозирование горногеологических условий и выбор способа строительства. В сб. Проблемы строительной геотехнологии. РАЕН, МГГУ, М., 2000.

23. Кожевников A.B., Кожевникова В.Н. и др. Стратиграфия подмосковного плейстоцена. Бюл. Моск. общ-ва испыт. природы. Отдел геол., 1979, т. 54, вып. 2, Библиография 71 наименование.

24. Ломтадзе В.В. Инженерная геология и инженерная петрология. -Л., Недра, 1984.

25. Москва. Геология и город. Под ред Осипова В.И. и Медведева О.П. М., Московские учебники и картолитография, 1997.

26. Коломенская В.Н., Кофф Г.Л. Особенности инженерно-геологическое типизации территории Московской области с целью рационального использования и охраны окружающей среды. // Инженерная геология, 1985, № 5, с. 79-89.

27. Леггет Р. Города и геология. М.: Мир, 1976.

28. Мироненко В.А., Мольский Е.В., Румынии В.Г. Горнопромышленная гидрогеология. -М.: Недра, 1989.

29. НИиПИ Генплана г. Москвы. Отчет «Разработать рекомендации по учету геологических условий при подземном строительстве в г. Москве» -1988.

30. Отчет института Геоэкологии РАН. Карта распространения погребенных эрозионных врезов на участке между станциями метро «Театральная» и «Страстной бульвар» М 1:2000. М.: 1998.

31. Осипов В.И. и др. Инженерно-геологические условия участка строительства Лефортовских тоннелей в г. Москве. М.: Геоэкология, № 2, 2001.

32. Очерки по геоэкологии и инженерной геологии Московского столичного региона. Кофф Г.Л., Петренко С.И., Лихачева Э.А., Котлов В.Ф. Под ред. Богданова H.A. и Шеко А.И. М., изд. РЭФИА, Институт литосферы РАН, 1997.

33. Парфенов С.И. Стационарное изучение карста в Москве. // Режимные инженерно-геологические и гидрогеологические наблюдения в породах. М.: Наука, 1983, с. 126.

34. Пособие по проектированию зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01.83). М.: Стройиздат, 1986.

35. Ресин В.И. Об освоении подземного пространства Москвы. М.: Горный вестник, 1997, № 4.

36. Рекомендации по инженерно-геологическим изысканиям для подземного гражданского и промышленного строительства. ПНИИиС. М.: Стройиздат, 1987, с. 56.

37. Румянцева М.Н. Некоторые закономерности изменчивости физико-механических свойств четвертичных отложений на территории Москвы. -М.: Геология и разведка, № 2, 1996.Ш

38. Семенов C.M., Овчаренко Т.Г. Закономерности формирования режима уровня грунтовых городских территорий (на примере Москвы). / Режимные инженерно-геологические и гидрогеологические наблюдения в городах. -М.: Наука, 1983, с. 135-136.

39. СНиП 1.02.07-87. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Госстрой СССР. -М.: 1987.

40. Сазонов Г.Н. Исследования инженерно-геологических процессов, возникающих при проходке горных выработок Московского метро. -Диссертация на соискание ученой степени канд.наук, 1973.

41. Свирский С.И., Лернер В.Г. Научно-технический прогресс в инженерном строительстве. М.: Горный вестник, 1997, № 4.

42. Савич А.И., Юдкевич А.И. Инженерно-геологические изыскания для строительства подземных объектов. М.: Горный вестник, 1997, № 4.

43. Строительство подземных сооружений. Справочное пособие. / Под ред. Щуп лика М.Н. М.: Недра, 1990.

44. Строительство горных выработок в сложных горнотехнологических условиях. Справочник. / Под ред. Картозич Б.А. М.: Недра, 1992.

45. Сергеев Е.М. Геологический фундамент Москвы. Город. Природа. Человек. -М.: Мысль, 1982.

46. Стрельский Ф.П. Возможные гидрогеомеханические условия аварии в Сакнкт-Петербургском метрополитене. «Геоэкология», 2001, № 3, с. 209-212.

47. Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства. М.: Недра, 1992.

48. Троянский C.B. и др. Общая и горнорудничная гидрогеология. М.: Госгортехнадзор, 1960.

49. Фромм В.В., Володарский О.Ф., Криканов В.Н. Достоверность прогноза по данным геологоразведочных работ инженерно-геологическихпроцессов и риск их проявлений при строительстве горных сооружений. -M.: Геология и разведка, 1994, № 1.

50. Харитоненко Г.Н. Геологические условия строительства и эксплуатации подземных сооружений на территории г. Москвы. Учебное пособие. M.: МГГУ, 1993.

51. Харитоненко Г.Н. Инженерно-геологическое обеспечение строительства подземных сооружений. М.: Метрострой, 1981, № 7.

52. Харитоненко Г.Н. Горно-геолдогическое районирование для оценки условий строительства подземных сооружений. / В сб.: «Проблемы горнопромышленной геологии». М.: МГИ, 1990.

53. Харитоненко Г.Н. Общая и горнопромышленная гидрогеология. Часть I, И. -М.: МГИ, 1992, 1999.

54. Харитоненко Г.Н., Гальперин O.A. Инженерно-геологическое обеспечение проведения горных выработок под защитой предохранительных целиков. М.: Геология и разведка, 2000, № 3.

55. Харитоненко Г.Н., Гальперин O.A. Типизация массивов горных пород в геологическом разрезе г. Москвы и оценка условий проведения в них выработок подземных сооружений. Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ, № 5, 1999.

56. Шилин Д.А. Основные положения классификации объектов подземного строительства. / В сб. : Подземные объекты народного хозяйства.-М.: ЦНИИпромзданий, 1990.» *

57. Щекудо»,Е.В. Участие в разработке мероприятий по ликвидации последствий аварии и возобновлению сооружения коллектора по ул. Б.Дмитровка. Научно-технический отчет. М.: НИЦ «Тоннели и метрополитен», 1998.

58. Prequalification Documents. Environmental Technology Drilltec. Crossbohr und Umwelttechnic. 2003.

59. River Rhine Crossing by Horizontal Directional Drilling with 2 parallel 32" Boreholes. Drilltec, Project report, 2003.