УДК 624.19

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНЫХ УСЛОВИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА

И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Ю.Н.Спичак, д.т.н., проф., генеральный директор СО А-Плюс ЛТД, г.Антрацит, Украина

Аннотация

В докладе приведены сведения о применении новой технологии водоизоляции трещиноватых пород и укрепления зон тектонических нарушений бентонитоцементными растворами с целью обеспечения безопасных условий строительства автодорожного Пин Лин тоннеля в Тайване, перегонных тоннелей Донецкого метрополитена и эксплуатации Лутугинского железнодорожного тоннеля Укрзализници.

Введение

Строительство протяженных транспортных тоннелей и вертикальных вентиляционных стволов в сложных инженерно-геологических условиях требует применения прогрессивных геотехнологий сооружения горных выработок в водоносных трещиноватых породах и зонах тектонических нарушений.

Для обеспечения безопасной проходки и эксплуатации подземных сооружений в сжатые сроки автор разработал технологию предварительной водоизоляции трещиноватых пород [1] и укрепления неустойчивых зон тектонических нарушений [2] бентонитоцементными растворами различной плотности, вязкости и конечной прочности [3] при проходке горных выработок.

Новые технологии успешно реализованы совместным обществом А-Плюс ЛТД в Тайване и Украине.

Автодорожный Пин Лин тоннель

В 1990 году Министерство транспортных коммуникаций Тайваня объявило тендер на строительство автодорожного Пин Лин тоннеля длиной 12950м для улучшения транспортного сообщения между Тайпеем и Тихоокеанским побережьем. Тендер выиграла французская тоннеле строительная корпорация SPI Batignyoly , построившая тоннель под проливом Ла-Манш со стороны французского побережья.

Согласно проекта сооружение Пин Лин тоннеля должны были выполнить в течение 1991-2003г.г. Однако, при проектировании не были учтены сложные геологические и сейсмические условия его строительства. В результате, за первые пять лет было пройдено 1600м пилот-тоннеля и по 800м двух главных тоннелей. Пилот-тоннель диаметром 4,87м проходили с помощью горнопроходческого комплекса Robbins , главные тоннели диаметром 11,94м – горнопроходческими комплексами Wirth . В настоящее время проходка тоннеля продолжается.

Ликвидация аварий при проходке вентиляционных стволов

Строительство Пин Лин тоннеля включает сооружение по его трассе вентиляционного и воздухоподающего стволов №1 глубиной по 500м, стволов №2 глубиной 275м и стволов №3 глубиной 460м. Диаметр стволов в проходке 7,5м, расстояние между сдвоенными стволами 50м.

Тендер на строительство стволов №3 выиграла южно-африканская корпорация Cementation Mining , начавшая их проходку в 1996 году с применением способа цементации водоносных пород через скважины глубиной 24м, пробуренные из забоя ствола.

После цементации интервала 45-69м при проходке вентиляционного ствола №3 на глубине 60м произошел прорыв подземных вод с дебитом 72м 3 /ч. Повторную цементацию этого интервала выполняли 4 месяца. Позже подобные ситуации неоднократно повторялись. В 1998 году после прорыва подземных вод на глубине 157м ствол был затоплен до гидростатического уровня 23м и законсервирован.

Для ликвидации аварии автор предложил тайванской стороне силами СО А-Плюс ЛТД и местного подрядчика DGE :

− восстановить пройденную часть вентиляционного ствола №3;

− возвести в забое ствола бетонную подушку высотой 4м с четырьмя

вертикально установленными в ней кондукторами диаметром 146мм;

− проложить от устья ствола по его стенке до кондукторов в забое

четыре направляющие трубы диаметром 114мм глубиной по 153м

каждая;

− пробурить через направляющие трубы 4 скважины диаметром 93мм

глубиной по 440м и выполнить в скважинах инклинометрию и

гидродинамические исследования;

− осуществить нагнетание расчетного объема бентонитоцементного

раствора в водоносные горизонты вокруг ствола для изоляции

трещиноватых пород и укрепления зон тектонических нарушений;

− выполнить контроль качества изоляции каждого водоносного горизонта

вокруг ствола по завершении нагнетания бентонитоцементного раствора.

После утверждения тайванской стороной предложенных технических решений СО А-Плюс ЛТД совместно с DGE с сентября 2000 по март 2001 года выполнили весь указанный комплекс работ.

В результате после завершения водоизоляционных работ вентиляционный ствол №3 был пройден в интервале 157-460м со средними темпами 60м/месяц. Соседний воздухоподающий ствол №3 был пройден с цементацией из забоя в течение 1996-2001 годов со средними темпами 7м/месяц.

Проходка стволов методом “ RAISE - BORING ”

Из-за расположения площадки строительства стволов №1 Пин Лин тоннеля на высоте 850м среди чайных плантаций и отсутствием места для размещения породного отвала, тайванская сторона приняла решение пройти вентиляционный и воздухоподающий стволы №1 глубиной по 500м методом “ Raise - Boring ” (снизу-вверх).

Условия проходки стволов №1 осложнялись наличием по их оси крутопадающих зон тектонического дробления пород в интервале глубин 30м-480м и ожидаемым водопритоком в каждый ствол 1900-2000м 3 /ч по данным японских специалистов, проводивших бурение и исследование контрольно-стволовых скважин стволов №1.

Согласно проекта комплекс работ по проходке вентиляционного и воздухоподающего стволов №1 выполняли в четыре этапа:

1й этап – предварительная водоизоляция и укрепление пород на участке

проходки стволов силами СО А-Плюс ЛТД и DGE ;

2й этап – бурение вертикальной пилот-скважины диаметром 394мм с

поверхности земли до пересечения кровли вентиляционной

сбойки между основными тоннелями силами австрийской

корпорации Universal Bau GmbH , СО А-Плюс ЛТД и

DGE ;

3й этап – монтаж в вентиляционной сбойке режущего органа диаметром

2,44м и проходка пилот-ствола методом “ Raise - Boring ” силами

вышеуказанных предприятий;

4й этап – расширение и крепление ствола до диаметра 7,5м буровзрывным

способом со спуском взорванной породы по пилот-стволу в

тоннель с дальнейшей ее автомобильной откаткой силами

тайванской горностроительной компании.

Для обеспечения безопасных условий проходки вертикальных стволов №1 СО А-Плюс ЛТД по своей технологии [4] выполнило предварительную водоизоляцию и укрепление водоносной зоны тектонического дробления пород вокруг вентиляционного ствола №1 через 4 вертикальные скважины и вокруг воздухоподающего ствола №1 через 3 вертикальные скважины глубиной по 480м.

К элементам новизны технологии водоизоляции и укрепления раздробленных пород на участках проходки вертикальных стволов методом “ Raise - boring ” следует отнести:

1 – применение бентонитоцементных растворов с различной плотностью,

вязкостью и конечной прочностью для водоизоляции трещиноватых

и укрепления раздробленных пород;

2 – технологию переменного нагнетания бентонитоцементных растворов

с различными реологическими и прочностными свойствами в

трещиноватые и раздробленные породы;

3 – выполнение водоизоляции и укрепления горного массива вокруг ствола

всего через 3-4 глубокие вертикальные скважины в крутопадающих

породах;

4 – применение винтобуров системы “ Downhole - Motor ”, США для

бурения скважин с отклонением от вертикали не более 1%;

5 –обеспечение бурения пилот-скважины диаметром 394мм без поглощения

промывочной жидкости с отклонением от вертикали не более 0,2%;

6 – обеспечение скоростного бурения пилот-стволов диаметром 2,44м

глубиной 500м методом “ Raise - Boring ”.

В соответствии с контрактом СО А-Плюс ЛТД и DGE выполнили буровые и инъекционные работы на вентиляционном стволе №1 за 7 месяцев, и на воздухоподающем стволе №1 за 6 месяцев.

После завершения инъекционных работ вентиляционный пилот-ствол №1 был пробурен диаметром 2,44 в интервале 500м-0м за 16 дней, и воздухоподающий ствол №1 – за 15 дней с помощью финского бурового оборудования “ Tamrock ”.

Остаточные водопритоки в тоннель из пробуренного вентиляционного пилот-ствола №1 составили 0,9м 3 /ч, из воздухоподающего пилот-ствола №1 – 1,8м 3 /ч при прогнозном водопритоке 1900-2000м 3 /ч и при контрактных обязательствах 10м 3 /ч в ствол.

После расширения вышеуказанных стволов буровзрывным способом до диаметра 7,5м остаточные притоки не изменились.

Донецкий метрополитен

Перегонные тоннели Пролетарско-Киевской линии Донецкого метропо­литена пересекают зону обводненного Мушкетовского надвига в интервале ПК 68+09 − ПК 69+06 между станциями «Красный городок» и «Мушкетовская». Тоннели сооружаются диаметром 6м под один путь широкой колеей 1524мм. В профиле тоннели односкатные, в плане плавно поворачивают в зоне Мушкетовского надвига. Тоннели оборудованы искусственной вентиля­цией шахтного типа.

Инженерные изыскания по трассе перегонных тоннелей

В 1985-1992г.г. ДонбассГИИНТИЗ провел инженерно-геологические изыскания по трассе тоннелей Донецкого метро. В результате установили, что участок трассы метро в интервале Мушкетовского надвига ПК 68+09−ПК 69+06 отличается сложным тектоническим строением. К этому надвигу приурочены многочисленные оперяющие нарушения с амплитудами смещения до 80м. Породы в зонах нарушений раздроблены, перемяты, выветрелые, что обусловливает низкую устойчивость стенок и кровли перегонных тоннелей, и способствует вывалам и обрушениям пород. Аргиллито-алевритовая толща пород при вскрытии быстро выветривается. Ожидаемые водопритоки при проходке перегонных тоннелей в зоне

Мушкетовского надвига составляют до 6 м 3 /ч на 1 п. м. тоннеля.

Инженерная защита перегонных тоннелей

С целью инженерной защиты перегонных тоннелей от водопритоков СО А-Плюс ЛТД предложило своими силами создать над сводом и вокруг стен каждого тоннеля водонепроницаемую зону укрепленных пород путем инъекции проектных объемов бентонитоцементного раствора в трещиноватый и нарушенный массив под расчетным давлением через серию горизонтально-восстающих скважин, пробуренных по контуру тоннеля [2].

Первоочередные работы СО А-Плюс ЛТД совместно с ООО Донецкшахтометрострой выполнили при проходке левого перегонного тоннеля. Для предотвращения водопритоков, вывалов и обрушений слабоустойчивых пород их водоизоляцию и укрепление в зоне Мушкетовского надвига осуществили в 3 этапа.

1й этап − первичное нагнетаниебентонитоцементного раствора [3] во вмещающие породы в безнапорном режиме через 7 горизонтально-восстающих скважин длиной 30м-35м, пробуренных по периметру свода тоннеля.

2й этап − контрольное нагнетание бентонитоцементного раствора во вмещающие породы в напорном режиме через 7 скважин, разбуренных до глубины 30м-35м после окончания первичного нагнетания.

Зй этап − уплотнительное нагнетаниебентонитоцементного раствора в укрепляемые породы в режиме опрессовки через 7 скважин, разбуренных до глубины 30м-35м после окончания контрольного нагнетания.

Основные технические параметры

В табл.1 приведены основные технические параметры водоизоляции и укрепления вмещающих пород в зоне Мушкетовского надвига при проходке левого перегонного тоннеля.

Таблица1

№ за-ход-ки

Интервал укрепления пород,

ПК-ПК

Бурение скважин, м

Общий объем нагнетания

р-ра в сква­жины, м 3

Давление нагнетания раствора, кг/см 2

Срок выпол - ­нения работ, мес.

ø112мм ø93мм

1й этап 2й этап Зй этап
I 68+09−68+44 54 162 191 5-10 20-30 40-50 1
II 68+45−68+75 63 147 229 5-10 20-30 40-50 1,5
III 68+76−69+06 63 147 264 5-10 20-30 40-50 1,5

Итого:

180 456 684       4

Практические результаты

После завершения предварительной водоизоляции и укрепления пород в интервале ПК 68+09 – ПК 69+06 ООО Донецкшахтометрострой прошел указанный участок левого перегонного тоннеля без каких-либо осложнений.

В 2006 году планируется выполнение силами СО А-Плюс ЛТД предварительной водоизоляции и укрепления вмещающих пород Калининского надвига в интервале ПК 73+90 – ПК 75+80 левого перегонного тоннеля Донецкого метрополитена.

Обеспечение безопасных условий эксплуатации железнодорожных тоннелей

В конце 19в. - начале 20в. в Украине были построены и действуют в настоящее время более 40 железнодорожных тоннелей с различной протяженностью. Большая часть тоннелей эксплуатируется в Карпатах, остальные - в Крыму и на территории Донецкой и Приднеп­ровской железных дорог.

Многие тоннели сооружены в сложных горно-геологических условиях, обусловивших их остаточную обводненность. Последнее способствует коррозии и деформации тоннельной обделки, что снижает ее долговечность. В зимнее время из-за остаточных водопритоков уменьшаются габариты действующих тоннелей из-за их оледенения, что приводит к необходимости скалывания и своевременной уборки льда.

С целью снижения остаточных водопритоков в действующие ж/д тоннели применяют традиционные способы цементации или химизации обводненной тоннельной обделки, бурение каптажных скважин, проходку дренажных штолен, эффективность применения которых не всегда обеспечивает осушение тоннелей.

Учитывая изложенное, СО А-Плюс ЛТД предложило Укрзализнице выполнять гидроизоляцию обводненных интервалов обделки действующих ж/д тоннелей с помощью нового способа [2] бентонито-цементными растворами [3].

В результате Донецкая зализница заключила с СО А-Плюс ЛТД договор на капитальный ремонт Лутугинского тоннеля, результаты выполнения которого приведены ниже.

Лутугинский тоннель расположен между станциями Сборная и Врубовка железнодорожной линии Северск-Лихая, Родаковской дистанции пути Донецкой ж/д. Тоннель был построен в 1913- 1915 г .г. под один путь широкой колеей 1524 мм . Длина тоннеля между порталами составляет 2062,88 п.м. В профиле тоннель двухскатный, в плане расположен по прямой. Тоннель оборудован искусственной вентиляцией шахтного типа.

В ноябре 1986 года движение через Лутугинский тоннель было закрыто в связи с началом его реконструкции по проекту, разработанному институтом Гипротранспуть. В соответствии с этим проектом в течение 1986- 1989 г .г. Армтоннельстрой выполнил нагнетание карбонатной смолы за обделку обводненных колец тоннеля. Однако, после производства указанных работ, остаточный водоприток в тоннель остался прежним.

В 1994-1996г.г. Львовский Мостопоезд-61 с целью снижения водопритоков в Лутугинский тоннель выполнил сооружение десяти камер заобделочного дренажа, из которых были пробурены системы лучевых дренажных скважин в интервалах обводненной обделки. Но водоприток в тоннель после бурения дренажных скважин не уменьшился.

Геологическая характеристика Лутугинского тоннеля

В 1984г. институт Гипротранспуть произвел съемку продольного профиля пути Лутугинского тоннеля. В результате был уточнен геологический разрез по оси этого тоннеля, представленный чередованием слоев обводненного песчанистого сланца и песчаника с прослоями водоносного известняка.

В последние годы гидрогеологическая ситуация в районе Лутугинского тоннеля осложнилась в связи с закрытием соседних шахт Врубовская и им. Ленина. Из-за прекращения работы систем водоотлива указанных шахт в этой местности повысился гидростатический уровень подземных вод, что обусловило увеличение водопритоков в этот тоннель.

Инженерная защита Лутугинского тоннеля

Для инженерной защиты тоннеля от водопритоков СО А-Плюс ЛТД предложило выполнить гидроизоляцию его обводненных участков путем инъекции расчетных объемов бентонитоцементного раствора в трещиноватые водоносные породы под заданным давлением с проектным расходом через горизонтально-восстающие скважины, пробуренные по контуру свода и стен этого тоннеля.

Согласно результатам комиссионного осмотра Лутугинского тоннеля были выделены шесть основных обводненных участков, приведенные в табл.2.

Таблица 2

Интервалы обводненной обделки Лутугинского тоннеля

№ участка гидроизоляции Интервалы обводненных колец Длина обводненного

участка, м

1 19-40 133
2 42-49 59
3 88-90 17
4 99-101 18
5 187-190 26
6 216-230 94
Итого:    345

Гидроизоляция Лутугинского тоннеля

С целью ликвидации водопритоков в тоннель СО А-Плюс ЛТД предложило выполнить его гидроизоляцию в 3 этапа:

1й этап − первичное нагнетание бентонитоцементного раствора в обводнен­- ные трещиноватые породы через горизонтально-восстающие скважины длиной 40м, пробуренные по периметру свода тоннеля с железнодорожной платформы № 1.

2й этап − контрольное нагнетание бентонитоцементного раствора за тоннельную обделку через горизонтально-восстающие скважины длиной 20м, пробуренные навстречу скважинам для первичного нагнетания.

Зй этап − уплотнительное нагнетание бентонитоцементного раствора на участках влажной обделки через скважины длиной до 5-10м, пробуренные по периметру и площади свода и стен тоннеля.

Исходный бентонитовый раствор готовили в тупике ж/д станции Врубовка путем добавления расчетного количества бентонитовой глины в заполненные водой миксеры для получения в результате их перемешивания бентонитовой суспензии с необходимыми свойствами.

Готовый бентонитовый раствор сливали из миксеров в агитатор и шламовым насосом перекачивали по системе трубопроводов ø50мм в четыре мерные емкости объемом 6м 3 каждая, расположенные на железнодорожной платформе №2.

Оборудование, необходимое для приготовления бентонитоцементного раствора, приведено в табл.3.

Таблица 3

Перечень оборудования для приготовления бентонитового раствора

Наименование оборудования Ед.

изм

К-во Мощность, квт
1 Миксер АМ-350 Шт.. 2 7,5
2 Агитатор А- 1200 Шт.. 1 4,0
3 Насос центробежный Шт.. 1 7,5
4 Система трубопроводов ø50мм с задвижками М 50 -
5 Мерная емкость 6м 3 Шт.. 4 -
6 Электрощит Шт.. 2 -

Бентонитоцементный раствор готовили с помощью двух миксеров АМ-350 путем добавления цемента ПЦ-400 в бентонитовый раствор, подаваемый в миксеры из мерных емкостей, с последующим его сливом в агитатор А-1200.

В зависимости от раскрытия и количества трещин, перебуренных инъек­ционными скважинами над сводом и вокруг стен тоннеля, состав бентонитоцементного раствора изменяли путем увеличения расхода бентонитовой глины и цемента с целью повышения прочности и водонепроницаемости обделки тоннеля. Для окончательного приготовления бентонитоцементного раствора в агитатор А-1200добавляли силикат натрия.

Нагнетание бентонитоцементного раствора в обводненный массив за обделку тоннеля производили с помощью насоса АНБ-22 через нагнетательный трубопровод, проложенный от насоса до устья тампонируемой скважины.

В табл.4, для примера, приведены этапы, параметры и сроки выполнения гидроизоляции тоннельной обделки в наиболее обводненном интервале колец 19-40.

Таблица 4

Этапы

нагнетания

раствора

Бурение скважин, м

Объем нагне­-

тания р-ра

в сква­жину,

м 3

Срок вы­полнения работ,

мес.

ø112мм ø93мм

1 Первичное нагнетание 81 279 610 3*
2 Контрольное нагнетание - 360 375 1,5*
3 Уплотнительное нагнетание - - 205 0,5*
Итого: 81 639 1190 5*

Примечание: ** Буровые и инъекционные работы в тоннеле выполняли

в ночную смену с 0-30 до 07-30. В дневное время

приготавливали исходный бентонитовый раствор и

производили ремонтные работы.

Применение трехэтапного способа гидроизоляции тоннельной обделки бентонитоцементными растворами обеспечило ее осушение до требуемой Укрзализницей нормы.

Выводы

1. Применение новых способов водоизоляции и укрепления обводненных трещиноватых пород и зон тектонического дробления [1,2] бентонитоцементными растворами [3] обеспечило безопасное строительство и эксплуатацию транспортных тоннелей в Тайване и Украине в сложных инженерно-геологических и сейсмических условиях.

2. Новые способы водоизоляции и укрепления обводненных трещиноватых массивов и тектонических нарушений бентонитоцементными растворами целесообразно применять при строительстве и эксплуатации угольных шахт в России.

Литература

1. Патент України 59993 А від 15.09.2003. Бюл.№9 «Спосіб попередньої водоізоляції та зміцнення нестійких обводнених порід навколо споруджуваного вертикального стовбура». Спичак Ю.М.

2. Патент України 58930 А від 15.08.2003. Бюл.№ 8 « Спосіб водоізоляціі та зміцнення обводнених порід при спорудженні гірничих виробок ». Спичак Ю. М .

3. Патент України 54812 А від 17.03.2003.Бюл.№ 3 « Склад зміцнювальний ». Спичак Ю. М .

4. Патент України 59998 А від 15.09.2003. Бюл.№9 «Спосіб спорудження вертикального вентиляційного стовбура тунелю методом “ Raise - Boring ”. Спичак Ю.М.


Providing Safe Conditions of Building and Exploitation of Undergraund Structures

Y.N. Spichak, Doctor of Science (Engineering), Professor,

General Director of SO A-Plyus Ltd, Antrotsit, Ukrain

The report presents information about using the new technology of waterproofing of rocks with joints and reinforcing the areas of tectonic disturbances with concrete and cement mortars with view to providing safe conditions of building the Pin Lin highway tunnel in Taiwan, the transfer tunnels of the Donetsk underground railroad and the exploitation of the Lutuginsk railroad tunnel Ukrzaliznitsi.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНЫХ УСЛОВИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА

И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Ю.Н.Спичак, д.т.н., проф., генеральный директор СО А-Плюс ЛТД, г.Антрацит, Украина

В докладе приведены сведения о применении новой технологии водоизоляции трещиноватых пород и укрепления зон тектонических нарушений бентонитоцементными растворами с целью обеспечения безопасных условий строительства автодорожного Пин Лин тоннеля в Тайване, перегонных тоннелей Донецкого метрополитена и эксплуатации Лутугинского железнодорожного тоннеля Укрзализници.