Публикации
Главная/Пресс-центр/Публикации

Инженерно‒геологические исследования закарстованного массива на участке станций «Кировская ‒ Парк культуры» Нижегородского метрополитена

14:4325 октября 2017

Кочев А.Д.

ООО «Транспроектинжиниринг»

Инженерно‒геологические исследования закарстованного массива на участке станций «Кировская ‒ Парк культуры» Нижегородского метрополитена

 

Инженерно‒геологические и геофизические исследования проводились по просьбе руководства Нижегородского метрополитена (в то время Горьковского) в связи с появившимися деформациями в действующем тоннеле на участке между станциями «Парк культуры» и «Кировская». Скорости движения поездов были снижены до 10‒20км/час, что вызвало огромные проблемы с перевозкой пассажиров, поскольку вблизи этих станций расположены проходные завода ГАЗ.

Целью наших исследований являлась оценка эффективности проведенных тампонажных работ и опасности участка для нормального функционирования метрополитена. Для этого был выполнен комплекс работ, включающий буровые и лабораторные работы, сейсмоакустические исследования и камеральную обработку полученных результатов.

На первом этапе был собран и проанализирован имеющийся фактический материал, а именно: сведения по:

  • скважинам,
  • физико‒механическим свойствам грунтов,
  • закарстованности карбонатных и сульфатных пород,
  • объемам тампонажных работ по каждой инъекционной скважине,
  • общим инженерно‒геологическим условиям участка*.

По результатам первого этапа намечены объемы полевых работ, определены места заложения и глубина дополнительных буровых скважин таким образом, чтобы обеспечивалась возможность проведения межскважинного сейсмоакустического прозвучивания (МП) [1] с учетом максимального охвата исследуемого массива. Намеченная сеть скважин позволила выбрать направления лучей МП, равномерно покрывающих всю площадь участка исследований (рис. 1).

В процессе бурения скважин проводилась подробная документация керна, фиксировались все провалы бурового снаряда, интервалы ускоренной проходки, отбирались пробы на определение физико‒механических свойств (ФМС) глинистых и скальных пород.

С помощью МП были получены записи сейсмоакустических трасс. Каждый файл соответствовал паре прозвучивания, каждая трасса – лучу МП. Прозвучивание произведено на 38 парах 15 скважин в интервале глубин 17‒55 м с шагом в 2 м. На рис. 1 показана схема расположения скважин и направления прозвучивания между ними. Обработка информации МП осуществлялась в несколько этапов. Сначала проводилась визуализация волновых картин и их анализ. В целом, волновые картины на сводных сейсмограммах показывают (рис. 2), что по характеру волнового поля все они в значительной степени похожи, что свидетельствует о горизонтальном слоистом залегании горных пород. В разрезе выделяются 5интервалов по глубине, соответствующие различным литологическим разностям: 17‒27м, 28‒31м, 33‒45 м, 47‒49 м, 51‒55 м. При этом в интервале глубин 33‒45 м были усилены

сигналы не менее, чем в 8 раз (в 2 раза больше энергии излучателя и в 4 раза больше кратности накопления). Несмотря на это, рассматриваемый интервал характеризуется практически полным отсутствием прохождения упругих волн в заданном диапазоне частот– 800‒3500Гц. Такое поле может наблюдаться лишь в полностью разрушенных породах при отсутствии контакта между обломками.

Результаты скоростей и характера волнового поля показали достаточно хорошую сходимость с данными бурения.

Далее для целостного представления картины распределения скоростей в пространстве была решена задача геоакустической томографии для горизонтальных плоскостей с шагом 1 и 2 м по глубине. Каждому лучу МП соответствует значение времени вступления упругой волны, которое является интегральной характеристикой упругих свойств пород, залегающих вдоль пути прохождения волны между соответствующими скважинами.

Заключительный этап состоял в совместной обработке всех полученных результатов и выявления на этой основе изменений в состоянии свойств массива вследствие тампонажных работ. С этой целью были проведены расчеты коэффициентов карстовой пустотности (Кз), разрушенности (Кр), ускоренной проходки (Кпр), тампонирования (Кт) (табл. 1) [2]:

Таблица 1 Результаты обработки материалов по скважинам, пробуренным после проведения тампонажных работ

No сква- жин

Интер- валы глубин с прова- лами бурового снаряда, м

Высо- та прова- ла, м

Вскры- тая мощ- ность закар- сто- ванной толщи, м

Коэффи- циент карсто- вой пустот- ности Кз, %

Коэффи- циент ускорен- ной проходки, Кпр, %

Коэффи- циент разрушен- ности карстую- щихся пород Кр, %

Коэффи- циент тампонир ования Кт, %

1

2

3

4

5

6

7

8

38

39‒39,5 40,2‒40,3

0,15 0,1

25,0

1,0

0

41,2

11,2

39

25,2

0

20,8

33,3

11,9

40

32‒32,2 32,4‒32,8 33,4‒33,8 35,8‒36 37,2‒37,4

0,2 0,4 0,4 0,2 0,2

25,3

5,5

13,4

40,7

10,3

41

34‒34,2

0,2

25,0

0,8

2,8

65,6

42

41,7‒45

3,3

25,0

3,3

11,2

36,4

20,4

43

 

25,1

0

6,8

19,9

17,9

44

 

25,0

0

5,2

66

45

 

26,5

0

7,2

40,0

24,5

46

 

24,9

0

9,6

23,7

17,7

47

 

24,6

0

24,8

41,9

30,5

48

 

24,8

0

7,7

50,4

17,3

49

46,9‒47,3

0,4

25,2

1,6

4,0

21,4

23,4

50

 

25,3

0

25,3

33,2

22,5

51

35,1‒35,8

0,7

25,0

2,8

30,4

56,8

16,4

52

   

24,6

0

3,7

56,1

18,7

Среднестатистическое значение

1,66

11,5

41,8

16,2

Среднеквадратическое отклонение

3,4

9,1

14,3

8,2

Коэффициент вариации

206

79

34

50

Примечание: ∑Hз ∑Hпр ∑Hр ∑Hт
Кз = ------------------100%; Кпр = ----100%; Кр = ------100%; Кт = ----------100%, где

ММММ Нз ‒высота открытой карстовой полости, м;

М ‒вскрытая мощность карстующихся пород, м;
Нпр ‒высота интервала с ускоренной проходкой бурового снаряда, м;
Нр ‒высота интервала с разрушенными породами, м;
Нт ‒высота интервала, где встречается тампонажная смесь, м.
Некоторые из указанных показателей сравнивались с таковыми,

полученными на период до производства тампонажных работ, и использовались для построения карт распределения их значений.

Результаты исследований

Геологическое строение и гидрогеологические условия участка работ определены на основании изучения архивных данных и по результатам настоящих работ. Участок работ находится в Дзержинско‒Нижегородском карстовом районе, приуроченном к долинам рек Оки и Волги. Развитие карста в данном районе связано с особенностями его геолого‒литологического строения и геолого‒гидрогеологических условий, объясняющих относительно близкое к поверхности залегание растворимых отложений казанского и сакмарского ярусов пермской системы и повышенной проницаемостью покровной и карстующихся толщ. Так, карстующийся массив отделен от покровной, преимущественно, песчаной толщи четвертичного возраста (Q1‒4) маломощными (2,8–6,6м) татарскими глинами и алевролитами (P3). Закарстованные породы сверху вниз представлены доломитами и известняками казанского яруса (P2kz) мощностью от 15 до 19 м, зачастую разрушенными до состояния обломков и доломитовой муки. Данные породы вследствие их значительной трещиноватости и пористости наиболее подвержены карстовому процессу, несмотря на то, что скорость растворения их относительно мала. Ниже по разрезу залегают гипсы и ангидриты сакмарского яруса (P1s) мощностью, соответственно, 0‒5,7 м и 3‒6,5 м.

В гидрогеологическом отношении участок характеризуется наличием грунтового и трещинно‒карстового водоносных горизонтов, приуроченных к аллювиальным пескам четвертичного возраста и карбонатно‒сульфатным породам казанского и сакмарского ярусов. Разделяющим относительным водоупором служат татарские глины. Пьезометрическая поверхность трещинно‒карстовых вод устанавливается на глубинах 3,5–4 м, совпадая с уровнем грунтовых вод (УГВ), что предопределяет отсутствие градиента вертикальной фильтрации. Трещинно‒карстовые воды агрессивны как по отношению к карбонатным, так и сульфатным породам.

Оценка состояния закарстованного массива

а) До проведения тампонажных работ.

Вычисленное среднестатистическое значение Кз в пределах участка составило 4,5 %, изменяясь от 0 до 40,8 %. На схеме распределения Кз (Рис. 3) в центральной части участка отчетливо выделяется субмеридианальная интенсивно закарстованная зона шириной 5‒6 м с незначительным разрывом в районе Скв. 27, который разделяет ее на две аномалии. Кз в северной зоне изменяется от 10 до 40%, в южной– от 5 до 20%. По степени закарстованности наиболее благоприятной является западная треть площади участка.

б) При проведении тампонажных работ.

Важные закономерности выявлены в результате анализа схемы распределения расходов тампонажного раствора (рис. 4). Средний расход на 1 скважину составил 16,2 м3, что позволяет рассматривать превышения указанного значения как аномальные (повышенные), оценивающие состояние закарстованного массива. Прежде всего, устанавливается четкая количественная зависимость максимальных расходов тампонажного раствора (Q) от максимальных значений Кз:

Северная зона ‒ Кз = 40,8% ‒‒‒‒‒‒‒ Q = 84,6 м3
Южная зона ‒ Кз = 20% ‒‒‒‒‒‒‒ Q = 64 м3.

Зоны максимальных расходов тампонажного раствора четко ограничены минимумами (до 5%) с востока и запада, при ширине зон 10‒15 м. Отсюда следует, что глубина инъекции раствора по латерали составляет порядка 3‒5 м по отношению к границам пород с максимальной закарстованностью. Вместе с тем, в северо‒западной части участка обособилась самостоятельная область повышенных значений расходов (до 22‒34 м3), что не коррелирует с данными по закарстованности. Это объясняется тем, что в данном случае приемником тампонажного раствора являются не карстовые полости и крупные трещины, а поровая среда, выраженная кавернозностью карстующихся пород, а также свойственной им значительной общей трещиноватостью. Характерно, что и плановый рисунок их распределения здесь уже не образует ярко выраженных аномалий.

в) После проведения тампонажных работ.

По результатам бурения установлено, что в целом по участку заметно понизилась карстовая пустотность. Рассчитанное среднестатистическое значение Кз составило 1,66% против 4,5% (табл.1). Эффективность тампонажных работ (Кэф), таким образом, составляет:

1,66 %
Кэф = 100% ‒‒‒‒‒‒‒‒‒‒‒ 100% = 63,1%,

4,5%
что следует признать достаточно высоким значением применительно к

расчетам эффективности такого рода работ.
Однако при послойном изучении керна скважин выявилось

практическое отсутствие ожидаемого цементного камня. Наблюдалась в основном тампонажная смесь, напоминающая глинистый заполнитель карстовых полостей. Полученные результаты дают основание констатировать высокую эффективность заполнения карстовых пустот и трещин, но не позволяет оценить, насколько повысились прочностные и деформационные свойства залеченного массива.

Для более полной оценки закарстованности и был использован коэффициент разрушенности карстующихся пород (Кр), с помощью которого учитываются интервалы распространения в той или иной степени дезинтегрированных пород относительно мощности всей вскрываемой толщи. Поскольку информация по скважинам является точечной, а количество скважин в целом невелико, распределение значений Кр по площади только по данным бурения не может быть откартировано с достаточной степенью корректности. В то же время степень разрушенности пород должна отражаться в скоростной картине при сейсмоакустических исследованиях, которыми изучено состояние пород в заданном интервале глубин 17‒55 м.

По каждому стратиграфо‒литологическому комплексу пород в каждом горизонтальном срезе получены волновые поля с зонами пониженных скоростей, которые в зависимости от литологических особенностей интерпретируются как разуплотненные (для четвертичных песков и татарских глин) или сильно закарстованные (для гипсов и ангидритов сакмарского яруса) породы. Анализ послойных волновых полей привел к необходимости обобщенного выделения низкоскоростных зон. С этой целью проведено послойное суммирование срезов по принятой расчетной сетке в условных баллах (рис. 5). В результате выполненной процедуры на полученной модели четко обособились низкоскоростные зоны, которые транслируются в разрезе по всем просуммированным срезам. Содержательная часть модели находит свое объяснение в результатах комплексных инженерно‒геологических исследований аналогично построенных сред в пределах карстоопасных территорий г. Москвы [3, 4], где на участках активного развития карстово‒суффозионных процессов, непосредственно над наиболее нарушенными зонами в карбонатном массиве зафиксировано унаследованное ухудшение состояния разделяющих относительно водоупорных глин и перекрывающих их песчаных отложений.

Из сказанного следует, что велика вероятность подобных сквозных нарушений и на данном участке исследований. Однако следует иметь в виду, что предполагаемые нарушения являются относительными и не могут свидетельствовать о степени карстовой опасности. Действительно, если проанализировать схему разрушенности карстующихся пород (рис. 6), построенную с учетом сейсмоакустической модели, можно заметить, что зоны максимальной нарушенности, фиксируемые как низкоскоростные, не коррелируются с зонами максимальной карстовой пустотности Кз (рис.3). Более того, они в целом приурочены к областям минимальных расходов тампонажного раствора (рис. 4), что свидетельствует о весьма незначительной скважности карстующихся разностей, то есть большая часть пустотного пространства является уже заполненной. Из четкой закономерности обособляется только узко локальная зона непосредственно вокруг скважины 44, где зафиксирована максимальная разрушенность карбонатных и сульфатных пород, не получившая своего подтверждения в сейсмоакустике. Это скорее всего связано с крайне малыми размерами самой зоны (2‒3 м), скоростная характеристика которой потерялась при фильтрации на общем высокоскоростном фоне.

Наконец, чрезвычайно интересно сопоставление обобщенной сейсмоакустической модели (рис.5) со схемами распределения расходов тампонажного раствора и карстовой пустотности (рис. 3, 4). Сравнивая их, можно видеть, что зонам максимальной карстовой пустотности (рис.3) и областям максимальных расходов тампонажного раствора (рис.4) на сейсмоакустической модели соответствуют области минимальных обобщенных бальных значений, или, иными словами, наиболее прочных (высокоскоростных) пород. Из сказанного вытекает, что на период проведения МП зоны максимальной карстовой пустотности после тампонажа перестали выступать в качестве объектов повышенной карстовой опасности.

Для инженерно–геологической характеристики проведены лабораторные исследования ФМС грунтов, обобщенные значения которых приведены в табл.2. Для всех изученных разностей грунтов наиболее информативным показателем по статистическим характеристикам оказалась пористость (по

показателям среднестатистического отклонения и коэффициента вариации). Сравнение распределений значений пористости с обобщенной сейсмоакустической моделью показало, что пониженные относительно ее среднестатистического значения практически полностью соответствуют низкоскоростным зонам МП. Особенно ярко это выражено в интервале залегания глин на глубинах 27‒28м. В меньшей степени, но достаточно определенно, эта тенденция прослежена по доломитам; по гипсам и ангидритам сходимость оказалась меньшей, хотя во многих случаях довольно удовлетворительной.

Обобщенные значения физико‒механические свойств грунтов

Таблица 2

Название породы и показатели ФМС

Статистические характеристики

̅

xmax

xmin

σ

ν

 

1. Число пластичности, %

12,4

17

6

2,65

21

68

2. Естественная влажность, %

19,8

28

13

3,06

15

68

3. Пористость, %

36,4

43

28

3,6

10

68

4. Плотность твердой компоненты, г/см3

2,72

2,78

2,66

0,03

1,1

72

5. Плотность скелета, г/см3

1,77

1,96

1,58

0,09

5,3

38

6. Плотность естественного сложения, г/см3

2,07

2,24

1,9

0,08

3,7

72

Доломит

Глины 

1. Плотность скелета, г/см3

2,17

2,68

1,89

0,19

8,8

70

2. Плотность твердой компоненты, г/см3

2,83

2,83

2,78

0,01

0,4

70

3. Пористость, %

23,1

33,2

5,3

6,8

29,5

70

4. Водопоглощение, %

7,8

14

0,5

3,2

41

59

5. Прочность на одноосное сжатие в сухом состоянии, МПа

25,6

53,4

7,5

12,2

48

11

6. Прочность на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии, МПа

30,4

110,3

6,7

20,3

66,7

56

Доломит

окремненный 

1. Плотность скелета, г/см3

2,35

2,59

1,9

0,2

9

21

2. Плотность твердой компоненты, г/см3

2,79

2,8

2,78

0,007

0,2

21

3. Пористость, %

15,5

32,1

7,2

7,5

49

21

4. Водопоглощение, %

4,9

11,9

1,9

3,0

60

19

5. Прочность на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии, МПа

39,1

77,5

6,0

20,7

53

19

 

Название породы и показатели ФМС

Статистические характеристики

̅

xmax

xmin

σ

ν

Ангидрит

1. Плотность скелета, г/см3

2,62

2,64

2,61

0,01

0,5

48

2. Плотность твердой компоненты, г/см3

2,29

2,35

2,22

0,02

1

51

3. Пористость, %

12,5

14,4

9,9

1,0

8

48

4. Водопоглощение, %

0,3

0,9

0

0,23

78

42

5. Прочность на одноосное сжатие в сухом состоянии, МПа

13,2

17,7

9,4

3,4

26

9

6. Прочность на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии, МПа

8,5

13,1

2,0

2,5

29

35

Гипс

1. Пористость, %

2,4

3,8

1,0

0,79

33

101

2. Плотность скелета, г/см3

2,84

2,9

2,76

0,03

1

101

3. Плотность твердой компоненты, г/см3

2,91

2,94

2,86

0,02

0,6

101

4. Водопогло‒щение, %

0,14

0,3

0

0,08

62

57

5. Прочность на одноосное сжатие в сухом состоянии, МПа

31,6

51,3

20,7

6,3

20

42

6. Прочность на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии, МПа

31,1

59,0

17,9

8,2

26

58

Примечания к таблице:

X ‒ среднестатистическое значение;
xmax ‒ максимальное значение выборки;
xmin ‒ минимальное значение выборки;
σ ‒ среднестатистическое отклонение;
ν ‒ коэффициент вариации;
Nф ‒ объем выборки

Приведенные выше данные подтверждают результаты интерпретации МП о вертикальной трансляции относительно нарушенных зон в массиве.

Таким образом, комплексом исследований произведена оценка закарстованности и разуплотнения пород, выявлено практически полное отсутствие открытых карстовых полостей, определен характер их заполнения после проведения тампонажных работ. В свою очередь, следует отметить, что исследователям при интерпретации данных сейсмоакустики пришлось столкнуться с рядом трудностей, во многом обусловленных отсутствием сравнительных характеристик МП, показывающих динамику изменений состояния массива до и после производства тампонажа.

Список литературы

  1. Карус Е.В., Кузнецов О.Л., Файзуллин И.С. Межскважинное прозвучивание. М.: Недра, 1986. 149 с.

  2. Костарев В.П. О количественных показателях карста и их использовании

при инженерно‒геологической оценке закарстованных территорий // Инженерно‒строительные изыскания. 1979. No 1/53. С. 49‒53.

  1. Кочев А.Д., Чертков Л.Г., Зайонц И.Л. Методика и результаты комплексного изучения карстово‒суффозионных процессов в г. Москве. // Инженерная геология. 1989. No 6. С. 77‒94.

  2. Чертков Л.Г. Карстовые и суффозионно‒провальные явления на территории г. Москвы и методика их инженерно‒геологического изучения: дис. канд. геол.‒мин. наук. М.: МГУ, 1984. 216 с.

*Автор выражает огромную благодарность сотрудникам ПГО «Гидроспецгеология», Средневолжcкой экспедиции ПГО «Центргеология» и ВНИИГеоинформсистем (приведены старые названия организаций), принимавшим активное участие в исследованиях, особенно к.г.-м.н . Черткову Л.Г., к.г.-м.н. Зайонцу И.Л., к.г.-м. н. Копосову Е.В., д.ф.-м. н. Файзуллину И.С., к.т.н. Циплакову В.И., к.т.н. Мешкову Е.П., Буку И.Б. и др.