Âèäû ãîðíûõ ïîðîä (ñòðîèòåëüñòâî ìåòðîïîëèòåíà)

  Ãëàâíàÿ      Ó÷åáíèêè - Ìåòðî     Ñòðîèòåëüñòâî ìåòðîïîëèòåíîâ (Âëàñîâ Ñ.Í.) - 1987 ãîä

 ïîèñê ïî ñàéòó

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ñîäåðæàíèå   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

 

 


Глава II.

 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО ГЕОЛОГИИ И ГИДРОГЕОЛОГИИ

 

Виды горных пород (ñòðîèòåëüñòâî ìåòðîïîëèòåíà)

Земная кора состоит из разнообразных по происхождению и составу горных пород. Горные породы это минеральная масса более или менее постоянного состава и структуры, образующая самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору. По происхождению различают три большие группы горных пород: магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические (или изверженные) горные породы образовались в результате остывания и затвердевания расплавленной магмы, поднявшейся из глубин земли.

В результате остыванця магмы, не достигнувшей земной поверхности, образовались глубинные изверженные породы граниты, диориты, гранодиориты, сиениты. Магма, излившаяся на поверхность земли при вулканических извержениях, при остывании образовала изверженные породы —базальты, диабазы, порфиры, туфы, пемзу.

Осадочные горные породы широко распространены в верхних частях земной коры. Эти горные породы являются продуктом разрушения других пород, а также результатом жизнедеятельности организмов и выпадания из воздушной или водной среды материалов любого происхождения. Осадочные породы в зависимости от условий их образования делят на три группы: обломочные, химические, органогенные.

Обломочные породы образовались в результате механического разрушения других под действием ветра, воды, суточных и сезонных колебаний температуры воздуха. К обломочным породам относят щебень, гальку, гравий, песок. В природных условиях рыхлые обломочные породы могут подвергаться связыванию частицами глины и других пород, образуя сцементированные обломочные породы. К ним относятся песчаники, алевролиты, аргиллиты, конгломераты, а также другие породы.

Осадочные породы химического происхождения образовались в результате выделения из водных растворов кристаллов различных минералов и осаждения их на дне водоемов. К таким породам относятся каменная соль, ангидрид, гипс и др.

Осадочные породы органического происхождения образовались из остатков древней растительности и живых организмов это каменный уголь, известняк, доломит, торф.

Метаморфические горные породы образовались из магматических или осадочных пород на больших глубинах при воздействии на них высоких температур и давлений. К метаморфическим породам относят сланцы, гнейсы, кварциты, мраморы.

История Земли делится на несколько очень длительных эр, каждая из которых состоит из нескольких геологических периодов (их продолжительность исчисляется миллионами лет).

Верхний слой земной коры имеет покров из маломощных отложений четвертичного периода, представленных суглинками, супесями, глинами и другими рыхлыми породами. К ним относятся также моренные отложения, образовавшиеся из обломков горных пород, перенесенных и отложенных древними ледниками (валуны, щебень, песок), озерно-ледниковые отложения, образовавшиеся после таяния ледников на дне озер (перемежающиеся песчаные и глинистые прослойки).

Отложения продуктов выветривания горных пород, залегающие на месте своего первоначального образования, называют элювиальными. К таким породам относится, например, дресва слабоцементированный грубозернистый материал, являющийся продуктом выветривания гранита. Обломочные отложения в долинах и. руслах рек, образовавшиеся из рыхлых продуктов выветривания горных пород, носят названия алювиальных. Они представлены гравием и галькой, песком различной крупности, глинами и суглинками (глинами с примесью песка). Отложения, возникшие в результате накопления рыхлых продуктов выветривания, смытых со склонов гор атмосферными водами, называют делювиальными. Породы, отличающиеся отсутствием слоистости, малой связностью, наличием большого количества крупных пор (макропористые), относят к лессовым.

В результате деятельности человека в местах его поселений образовался культурный слой, мощность которого в больших городах достигает 10 м.

Для каждого вида горных пород характерны свои формы залегания. Осадочные породы часто залегают в виде горизонтальных или наклонных пластов. Пласт (рис. 3) это плоское геологическое тело, мощность (толщина) которого во много раз меньше размеров площади его распространения. Для определения положения пласта в пространстве введены понятия об элементах залегания (рис. 4). Линия простирания это линия пересечения поверхности пласта с горизонтальной плоскостью.

Линия падения линия, лежащая на поверхности пласта и перпендикулярная к линии простирания. Угол падения угол между поверхностью пласта и горизонтальной плоскостью. Угол падения изменяется от 0 (для горизонтально залегающих пластов) до 90? (для пластов, расположенных вертикально).


Рис. 3. Разрез толщи осадочных пород:
кровля пласта; 2  горизонтальный пласт; 3  почва пласта; 4  пережим пласта; 5  раздув пласта; 6  линза


Рис. 4. Схемы к определению положения пласта в пространстве:
а элементы залекания наклонного пластаб выход пластовых наслоений на поверхность откоса; 1  пласт, имеющий угол падения а; 2-условная горизонтальная плоскость; 3-линия простирания .пласта; 4  линия падения пласта (стрелкой показано направление падения)


Рис. 5. Примеры разрывных нарушений горных пород:
а сбросб надвиг; в  сдвиг

Под воздействием процессов, происходящих в недрах Земли, происходят изменения первичной формы залегания горных пород, называемые тектоническими нарушениями (рис. 5). Тектонические нарушения приводят к образованию в пластах складок и разрывов. Складка, обращенная выпуклостью вверх, называется антиклиналью, выпуклостью вниз синклиналью.

Тектонические разрывы (разломы) создают при горнопроходческих работах серьезнее затруднения, поскольку зоны разломов сложены сильно трещиноватыми или раздробленными неустойчивыми породами. При вскрытии разломов забоями в выработках часто резко увеличиваются притоки воды, могут происходить также вывалы породы.

 

 

Подземные (грунтовые) воды

 

Наука, изучающая подземные воды, их движение, свойства и состав, называется гидрогеологией.

Наличие подземных вод при проходке тоннеля всегда осложняет производство проходческих работ. В зависимости от гидрогеологических условий приток воды в выработку может изменяться в больших пределах: от нескольких кубических метров в час до 2000-2500 м3/ч. Большие водопритоки требуют специальных мер по отводу воды и высокопроизводительного оборудования для ее откачки на поверхность.

В ряде случаев подземные воды изменяют свойства горных пород, Некоторые глины при увлажнении набухают и тяжело разрабатываются. Глинистые сланцы при попадании воды теряют устойчивость. Насыщенные водой пески легко отдают воду при проходке выработки, это требует их предварительного осушения. Тонкозернистые пески с примесью илистых частиц способны удерживать воду и превращаться в плывуны. Проходка в таких условиях очень сложна и требует применения специальных способов.

Подземные воды являются важным фактором, который надо учитывать при проектировании метрополитена выборе трассы, применении тех или иных конструкций, способах гидроизоляции, составлении проекта организации строительства. При проведении инженерно-геологических изысканий определяют наличие подземных вод, их характер, химический состав, ожидаемые водопритоки лри проходке. Наличие подземных вод в слое породы определяется бурением разведочных скважин. Основными типами подземных вод являются верховодка, грунтовые безнапорные воды и напорные (артезианские) воды.

Верховодкой называют воду, находящуюся на глубине 2-3 м от поверхности земли над водоупорным слоем. В местах, где водо-упор кончается, верховодка также исчезает, стекая в нижележащие пласты водопроницаемых пород (песков, трещиноватых известняков и др.). В засушливую погоду, а также зимой верховодка обычно исчезает.

Грунтовые воды это подземные воды, находящиеся выше первого водонепроницаемого слоя пород. Основным источником их образования являются атмосферные осадки. В скважине или в выработке уровень грунтовых вод сохраняется на той глубине, на которой они появились, так как напор в грунтовых водах отсутствует. Верхняя свободная их поверхность называется зеркалом грунтовых вод.

Более глубокие, перекрытые водоупорными пластами водоносные слои (их называют еще водоносными горизонтами) несут межпластовые (напорные) воды. При вскрытии межпластового водоносного горизонта скважиной напорные воды поднимаются в скважине и устанавливаются выше водоупорной кровли водоносного пласта.

Подземные воды, содержащие вредные примеси, которые оказывают разрушающее действие на обделку тоннеля, называют агрессивными.

 

 

Основные физико-механические свойства грунтов

Грунт это обобщенное наименование горных пород, залегающих преимущественно в пределах зоны выветривания Земли и являющихся объектом инженерно-строительной деятельности человека.

По классификации, принятой в Строительных нормах и правилах, грунты разделяются на скальные и нескальные. К скальным грунтам относятся изверженные, метаморфические и осадочные породы с жесткими связями между зернами, залегающие в виде монолитного или трещиноватого массива. К нескальным (рыхлым) относятся грунты: крупнообломочные несцементированные (валунные, галечниковые, гравийные, щебенистые, дресвяные), песчаные (пески разной крупности), глинистые (глины, суглинки), супеси.

По физико-механическим свойствам породы делятся на монолитные, пластичные, сыпучие и плывунные (насыщенные водой сыпучие породы плывуны).

Физико-механические свойства грунтов (пород) характеризуются рядом показателей; наиболее важные из применяемых в горном деле указаны ниже.

Плотностью породы называют отношение массы твердых частиц к их объему.

Объемная масса породы это масса единицы объема породы при естественной влажности и пористости. Объемная масса влажной породы зависит от количества содержащейся в ней воды и пористости. Объемная масса влажной породы учитывается в горном деле при расчетах горного давления, давления грунтов на свайное крепление котлованов и др.

Пористость это суммарный объем всех пор, приходящийся на единицу объема породы. Показатели, характеризующие пористость пород, используют при определении водопроницаемости и сжимаемости пород.

Влажностью называют отношение массы воды, содержащейся в породе, к массе абсолютно сухой породы в процентах.

Сжимаемостью называют способность породы к уменьшению объема под воздействием нагрузки.

Коэффициент фильтрации, являющийся основной характеристикой водопроницаемости пород, равен скорости движения воды через массив. Для различных грунтов коэффициент фильтрации Kф имеет следующие значения, м/сут:

Суглинки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,01-0,1
Супесь. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,10-1
Песок:

пылеватый. . . . . . . . . . . . 0,01-1

мелкозернистый. . . . . . . 1-5

среднезернистый. . . . . . .5-20

крупнозернистый. . . . . . 2.0-50
Гравий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50-150
Галечник. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100-500

Коэффициент фильтрации используют при различных гидрогеологических расчетах (определении притока воды в горные выработки, дебита скважин).

Кроме указанных свойств пород, при решении отдельных строительных вопросов учитывают прочность, твердость, упругость, пластичность, хрупкость, вязкость, разрыхляемость горных пород.

Прочность это свойство горных пород сопротивляться разрушению под действием внешней нагрузки. Различают прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании и ударе.

Твердостью называют способность горной породы сопротивляться проникновению в нее другого более твердого тела (например, острия пики отбойного молотка). Твердость пород определяют по специальной шкале.

Уцругость свойство горных пород изменять свою форму или объем под действием внешней нагрузки и возвращаться к первоначальной форме или объему после снятия этой нагрузки.

Пластичность это свойство горных пород деформироваться без разрушения под действием внешней нагрузки и оставаться в деформированном состоянии после ее снятия.

Хрупкость свойство горных пород разрушаться под действием ударных нагрузок без заметной остаточной деформации.

Вязкостью называют способность горной породы сопротивляться силам, стремящимся разъединить ее частицы. При горных работах вязкость пород оценивают по сопротивлению, оказываемому породой при отделении части ее от массива.

Разрыхляемость это увеличение объема горной породы при ее выемке из массива. Разрыхляемость характеризуется коэффициентом разрыхления, представляющим собой отношение объема вынутой породы к первоначальному объему породы в массиве.

Коэффициенты разрыхляемости некоторых горных пород имеют следующие значения.

Песок, супесь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,1-1,2
Растительный грунт, глина, суглинок, гравий 1,2-1,3
Полускальные породы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,3-1,4
Скальные породы:

средней прочности . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,4-1,6

прочные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,6-1,8

очень прочные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,8-2,0

Крепость горных пород характеризуется их сопротивляемостью различным механическим воздействиям: бурению, отбойке, взрыванию, разработке другими механическими средствами. Крепость пород зависит от многих физико-механических свойств: твердости, вязкости, трещиноватости, хрупкости, упругости. В горном деле принята шкала крепости горных пород, предложенная проф. ММПрото дьяконовым. По этой шкале все горные породы в зависимости от коэффициента крепости fкр разделены на десять категорий, причем наиболее крепкие породы (кварциты, базальты и др.), имеющие коэффициент крепости fкр=20, отнесены к I категории, а наименее крепкие (плывуны, разжиженные грунты), имеющие fкр=0,3, к X категории.

В Строительных нормах и правилах, являющихся сводом основных общеобязательных нормативных документов, применяемых в строительстве в нашей стране, принята шкала классификации горных пород, в которой наиболее крепкие породы (с fкр=20) отнесены к высшей, XI, группе по сложности разработки, а наименее крепкие к I группе.

Основные физико-механические свойства грунтов

Грунт это обобщенное наименование горных пород, залегающих преимущественно в пределах зоны выветривания Земли и являющихся объектом инженерно-строительной деятельности человека.

По классификации, принятой в Строительных нормах и правилах, грунты разделяются на скальные и нескальные. К скальным грунтам относятся изверженные, метаморфические и осадочные породы с жесткими связями между зернами, залегающие в виде монолитного или трещиноватого массива. К нескальным (рыхлым) относятся грунты: крупнообломочные несцементированные (валунные, галечниковые, гравийные, щебенистые, дресвяные), песчаные (пески разной крупности), глинистые (глины, суглинки), супеси.

По физико-механическим свойствам породы делятся на монолитные, пластичные, сыпучие и плывунные (насыщенные водой сыпучие породы плывуны).

Физико-механические свойства грунтов (пород) характеризуются рядом показателей; наиболее важные из применяемых в горном деле указаны ниже.

Плотностью породы называют отношение массы твердых частиц к их объему.

Объемная масса породы это масса единицы объема породы при естественной влажности и пористости. Объемная масса влажной породы зависит от количества содержащейся в ней воды и пористости. Объемная масса влажной породы учитывается в горном деле при расчетах горного давления, давления грунтов на свайное крепление котлованов и др.

Пористость это суммарный объем всех пор, приходящийся на единицу объема породы. Показатели, характеризующие пористость пород, используют при определении водопроницаемости и сжимаемости пород.

Влажностью называют отношение массы воды, содержащейся в породе, к массе абсолютно сухой породы в процентах.

Сжимаемостью называют способность породы к уменьшению объема под воздействием нагрузки.

Коэффициент фильтрации, являющийся основной характеристикой водопроницаемости пород, равен скорости движения воды через массив. Для различных грунтов коэффициент фильтрации Kф имеет следующие значения, м/сут:

Суглинки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,01-0,1
Супесь. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,10-1
Песок:

пылеватый. . . . . . . . . . . . 0,01-1

мелкозернистый. . . . . . . 1-5

среднезернистый. . . . . . .5-20

крупнозернистый. . . . . . 2.0-50
Гравий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50-150
Галечник. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100-500

Коэффициент фильтрации используют при различных гидрогеологических расчетах (определении притока воды в горные выработки, дебита скважин).

Кроме указанных свойств пород, при решении отдельных строительных вопросов учитывают прочность, твердость, упругость, пластичность, хрупкость, вязкость, разрыхляемость горных пород.

Прочность это свойство горных пород сопротивляться разрушению под действием внешней нагрузки. Различают прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании и ударе.

Твердостью называют способность горной породы сопротивляться проникновению в нее другого более твердого тела (например, острия пики отбойного молотка). Твердость пород определяют по специальной шкале.

Уцругость свойство горных пород изменять свою форму или объем под действием внешней нагрузки и возвращаться к первоначальной форме или объему после снятия этой нагрузки.

Пластичность это свойство горных пород деформироваться без разрушения под действием внешней нагрузки и оставаться в деформированном состоянии после ее снятия.

Хрупкость свойство горных пород разрушаться под действием ударных нагрузок без заметной остаточной деформации.

Вязкостью называют способность горной породы сопротивляться силам, стремящимся разъединить ее частицы. При горных работах вязкость пород оценивают по сопротивлению, оказываемому породой при отделении части ее от массива.

Разрыхляемость это увеличение объема горной породы при ее выемке из массива. Разрыхляемость характеризуется коэффициентом разрыхления, представляющим собой отношение объема вынутой породы к первоначальному объему породы в массиве.

Коэффициенты разрыхляемости некоторых горных пород имеют следующие значения.

Песок, супесь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,1-1,2
Растительный грунт, глина, суглинок, гравий 1,2-1,3
Полускальные породы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,3-1,4
Скальные породы:

средней прочности . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,4-1,6

прочные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,6-1,8

очень прочные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,8-2,0

Крепость горных пород характеризуется их сопротивляемостью различным механическим воздействиям: бурению, отбойке, взрыванию, разработке другими механическими средствами. Крепость пород зависит от многих физико-механических свойств: твердости, вязкости, трещиноватости, хрупкости, упругости. В горном деле принята шкала крепости горных пород, предложенная проф. ММПрото дьяконовым. По этой шкале все горные породы в зависимости от коэффициента крепости fкр разделены на десять категорий, причем наиболее крепкие породы (кварциты, базальты и др.), имеющие коэффициент крепости fкр=20, отнесены к I категории, а наименее крепкие (плывуны, разжиженные грунты), имеющие fкр=0,3, к X категории.

В Строительных нормах и правилах, являющихся сводом основных общеобязательных нормативных документов, применяемых в строительстве в нашей стране, принята шкала классификации горных пород, в которой наиболее крепкие породы (с fкр=20) отнесены к высшей, XI, группе по сложности разработки, а наименее крепкие к I группе.

Задачи инженерно-геологических изысканий при проектировании и строительстве метрополитенов

Основной задачей инженерно-геологических изысканий для обоснования проектирования и строительства метрополитена является комплексное изучение инженерно-геологических условий района, позволяющее правильно и экономично запроектировать, построить и эксплуатировать метрополитен. В результате изысканий должна быть получена информация о строении и составе горного массива, о гидрогеологической обстановке.

На основании анализа материалов, полученных при инженерно-геологических изысканиях, выбирают глубину заложения метрополитена, способы строительства, типы конструкций и тд.

От точности инженерно-геологических данных зависит безопасность людей, работающих в забое, и сохранность городских наземных зданий и коммуникаций. Поэтому к качеству изысканий в метростроении предъявляют особенно высокие требования.

Изысканиями должны быть установлены следующие основные сведения:

геологическое строение трассы (виды и состав горных пород, характер залегания пластов, их мощность и трещиноватость);

гидрогеологические условия (наличие водоносных горизонтов, глубина залегания уровней подземных вод, направление и скорость движения подземных вод, характеристика водопроницаемости пород, ожидаемые величины водопритоков воды в выработки, температура и химический состав подземных вод);

физико-механические свойства пород;

возможность проявления при строительстве отрицательных процессов (развития большого горного давления, оседаний поверхности над тоннелями, образования вывалов породы в забое, прорывов плывунов).

Изыскания выполняют в три этапа. В начальном, подготовительном, периоде собирают, изучают и обобщают фондовые и литературные материалы по району изысканий и намечают программу работ. Затем, на втором, полевом, этапе работ по разработанной программе ведут инженерно-геологическую разведку (бурение разведочных скважин, геофизические исследования, проходку разведочных выработок, лабораторные исследования грунтов и подземных вод по обр-азцам, отобранным в процессе бурения скважин и проходки выработок). На третьем этапе обрабатывают материалы разведки, завершают лабораторные работы и составляют отчет о проделанной работе.

Основным видом геологической разведки является бурение вертикальных разведочных скважин с периодическим отбором проб грунтов, по которым определяют мощность пластов, их чередование и крепость. Одновременно определяют водоносность слоев отдельно для каждого слоя. В процессе бурения скважины описание встретившихся грунтов и их характеристику заносят в специальный буровой журнал. По данным записей составляют геологические колонки, представляющие собой графическое изображение разреза скважины. В геологических колонках указывают чередование грунтов, встреченных при бурении скважины, мощность их пластов и горизонты (уровни) грунтовых вод. В зависимости от сложности грунтовых условий на 1 км трассы линии метрополитена бурят от 15 до 20 скважин, располагаемых в шахматном порядке относительно будущей оси трассы. На основании геологических колонок, полученных по результатам бурения скважин, расположенных вдоль трассы метрополитена, составляют геологический разрез, который представляет графическое изображение геологических и гидрогеологических условий, в которых будет вестись строительство. Составленные по результатам изысканий отчет и геологический разрез являются одними из основных документов для проектирования линии метрополитена.


Контрольные вопросы

Какие бывают горные породы?

Расскажите об основных видах грунтов.

Какие воды относятся к напорным и безнапорным и чем они отличаются?

Чем характеризуются физико-механические свойства грунтов?

 

 

 

 

ñîäåðæàíèå   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..