Сжатие против разбухания битва за пространство в глубоких туннелях

Строительство туннелей на больших глубинах представляет собой уникальные геотехнические проблемы из-за сложных взаимодействий между напряжениями на месте и характеристиками скального массива. Два явления, которые обычно влияют на устойчивость и производительность этих структур, — это сжатие и разбухание. Сжатие относится к вязкой деформации или постепенному сближению туннеля из-за высокого ограничивающего давления, в то время как разбухание описывает объемное расширение окружающей породы из-за наличия расширяющихся минералов. Сосуществование обоих явлений создает сложный сценарий, который требует тщательного анализа и эффективных стратегий смягчения.

В этой технической статье подробно рассматривается взаимодействие между сжатием и разбуханием в глубоких туннелях, изучаются механизмы, которые их вызывают, последствия для проектирования и строительства, а также доступные меры по смягчению последствий. Цель состоит в том, чтобы предоставить инженерам-геотехникам, специалистам по геомеханике, геологам и гидрологам всестороннее понимание этой проблемы и необходимые инструменты для ее успешного решения.

1. Сжатие в глубоких туннелях

1.1 Механизмы сжатия

Сжатие происходит, когда ограничивающее давление в окружающей породе превышает предел прочности на сдвиг скального массива. Это состояние может привести к вязким, пластичным или хрупким деформациям в зависимости от механических свойств породы и величины напряжений. Основные механизмы, способствующие сжатию, следующие:

* Ползучесть породы: в мягких породах или породах с вязкоупругим поведением ограничивающее давление может вызывать медленную и непрерывную деформацию с течением времени, даже при напряжениях ниже пикового предела прочности на сдвиг.

* Трещинообразование и перераспределение напряжений: в более прочных породах ограничивающее давление может вызвать образование микротрещин и перераспределение напряжений вокруг туннеля. Это может привести к образованию зон концентрации напряжений и повышению восприимчивости к сжатию.

* Эффект времени: деформация сжатия может проявляться постепенно с течением времени, даже спустя годы после выемки грунта. Такое поведение, известное как «эффект Хэллоуина», представляет собой проблему для прогнозирования и контроля сжатия.

1.2 Факторы, влияющие на сжатие

На величину и скорость сжатия влияют несколько факторов, в том числе:

* Глубина туннеля: чем больше глубина, тем больше ограничивающее давление и, следовательно, потенциал для сжатия.

* Геология и геомеханика скального массива: прочность на сдвиг, деформируемость, наличие разрывов и степень изменения породы влияют на ее восприимчивость к сжатию.

* Метод выемки грунта: Метод выемки грунта и последовательность строительства могут влиять на перераспределение напряжений и устойчивость туннеля.

* Крепление туннеля: Тип и жесткость крепления влияют на способность контролировать деформации сжатия.

* Наличие воды: Грунтовые воды могут снижать прочность породы на сдвиг и увеличивать поровое давление, усугубляя сжатие.

1.3 Классификация сдавливания

Существуют различные классификации сдавливания, основанные на величине деформаций, скорости конвергенции и преобладающем механизме. Распространенной является классификация, предложенная Хуком (2001):

* Незначительное сдавливание: Деформации менее 5% от диаметра туннеля.

* Умеренное сдавливание: Деформации от 5% до 10% от диаметра туннеля.

* Сильное сдавливание: Деформации более 10% от диаметра туннеля.

2. Разбухание в глубоких туннелях

2.1 Механизмы разбухания

Разбухание вызвано объемным расширением определенных глинистых минералов при поглощении ими воды. Эти минералы, такие как монтмориллонит и иллит, имеют слоистую структуру, которая позволяет молекулам воды вклиниваться между слоями, увеличивая их объем. Основные механизмы, способствующие разбуханию:

* Поглощение воды: Наличие грунтовых вод или инфильтрация воды в туннель может активировать разбухание расширяющихся минералов.

* Давление разбухания: Объемное расширение минералов создает давление разбухания, которое может воздействовать на опору туннеля.

* Разрушение породы: Разбухание может вызвать разложение породы, снижая ее прочность и увеличивая ее проницаемость.

2.2 Факторы, влияющие на разбухание

На величину и скорость разбухания влияют несколько факторов, в том числе:

* Тип и количество расширяющихся минералов: Наличие минералов, таких как монтмориллонит, с высокой способностью к расширению, увеличивает потенциал разбухания.

* Доступность воды: Наличие грунтовых вод или инфильтрация воды в туннель необходимы для возникновения разбухания.

* Температура: Температура может влиять на кинетику поглощения воды и величину разбухания.

* История напряжений: История напряжений породы может влиять на структуру

3. Взаимодействие между сжатием и разбуханием

Сосуществование сжатий и разбухания в глубоких туннелях порождает сложное взаимодействие, которое создает значительные проблемы для проектирования и строительства.

* Конкуренция за пространство: сжатие имеет тенденцию уменьшать доступное пространство в туннеле, в то время как разбухание стремится расширить его. Эта конкуренция может создавать дополнительные напряжения в опоре и скальном массиве.

* Увеличение давления: разбухание может увеличивать давление, действующее на опору, усугубляя эффекты раздавливания.

* Деградация горных пород: разбухание может ослабить окружающую породу, делая ее более восприимчивой к раздавливанию.

* Неустойчивость забоя: сочетание раздавливания и разбухания может вызывать нестабильность в забое выработки, препятствуя продвижению туннеля.

4. Стратегии смягчения

Смягчение эффектов разбухания и разбухания в глубоких туннелях требует комплексного подхода, учитывающего конкретные характеристики проекта. Некоторые распространенные стратегии включают:

4.1 Проектирование и выемка грунта

* Оптимизация поперечного сечения туннеля: выбор подходящего поперечного сечения может минимизировать концентрацию напряжений и снизить вероятность сдавливания.

* Последовательность выемки грунта: тщательно спланированная последовательность выемки грунта может помочь контролировать перераспределение напряжений и устойчивость забоя.

* Методы выемки грунта: выбор метода выемки грунта (обычный или с использованием TBM) должен учитывать восприимчивость породы к сдавливанию и разбуханию.

* Предварительная поддержка: установка предварительной поддержки (например, анкерных болтов, сетки) перед основной выемкой грунта может улучшить устойчивость забоя и уменьшить деформации.

4.2 Поддержка

* Гибкая крепь: использование гибкой крепи, например сегментной крепи с гибкими соединениями, позволяет компенсировать деформации, вызванные сдавливанием и разбуханием.

* Торкрет-бетон с волокнами: Торкрет-бетон, армированный волокнами, может улучшить прочность на растяжение и пластичность опоры.

* Заливка: Заливка может заполнять пустоты и трещины в породе, повышая ее прочность и снижая проницаемость.

4.3 Контроль воды

* Дренаж: Внедрение эффективной дренажной системы может снизить поровое давление и контролировать доступность воды для набухания.

* Гидроизоляция: Применение водонепроницаемых мембран может предотвратить просачивание воды в туннель.

4.4 Мониторинг

* Геотехнические приборы: Установка приборов мониторинга (например, экстензометров, пьезометров) позволяет оценивать поведение скального массива и опоры во время строительства и эксплуатации туннеля.

* Анализ данных: Анализ данных мониторинга позволяет выявлять тенденции и принимать корректирующие меры в случае обнаружения чрезмерных деформаций.

5. Выводы

Строительство глубоких туннелей в скальных массивах, подверженных сжатию и разбуханию, представляет собой сложную геотехническую задачу. Взаимодействие между обоими явлениями может привести к дополнительным напряжениям в опоре, чрезмерной деформации туннеля и неустойчивости забоя.

Комплексный подход, учитывающий конкретные характеристики проекта, имеет важное значение для снижения рисков. Правильный выбор метода выемки грунта, конструкция опоры, контроль воды и геотехнический мониторинг являются ключевыми элементами для обеспечения устойчивости и долгосрочной производительности туннеля.

Продолжение исследований в этой области имеет важное значение для улучшения нашего понимания взаимодействия между сжатием и разбуханием, разработки новых технологий смягчения и оптимизации инженерных методов при строительстве глубоких туннел