В настоящее время функционирование предприятий нефтяной промышленности представляет собой последовательное выполнение этапов производственного цикла – от освоения месторождений и добычи нефти до реализации нефтепродуктов конечному потребителю [1]. Важнейшим звеном в указанном цикле является транспортировка продуктов переработки нефти, которая наиболее часто осуществляется с использованием систем магистральных трубопроводов. Так, для осуществления доставки экспортируемых нефтепродуктов одним из нефтеперерабатывающих предприятий, которое располагается на Черноморском побережье Цемесской бухты, было запроектировано строительство магистральных нефтепродуктопроводов, размещенных в технологическом тоннеле максимальной глубиной заложения 360 м, внутренним диаметром 3,5 м общей протяженностью более 4,3 км. Проектируемый тоннель представляет собой сложную железобетонную конструкцию из сборных колец, внутри которой планируется разместить три вспомогательных и два основных трубопровода [2].

Трасса проектируемого тоннеля приурочена к крупной геологической структуре – Семигорской антиклинали, в строении которой принимают участие два стратиграфо-генетических комплекса: флишевые отложения мелового возраста, представленные переслаиванием мергелей, песчаников и известняков, реже аргиллитов, смятых в изоклинальные складки, и четвертичными образованиями, характеризующимися современными пролювиальными, делювиальными и техногенными отложениями. Одной из причин складчатого залегания пород является высокая сейсмическая активность рассматриваемой территории (8 баллов по шкале MSK-64), которая предопределила широкое развитие разрывных нарушений и, как следствие, интенсивную трещиноватость пород дочетвертичной толщи [3]. Всего по трассе тоннеля было выявлено более 16 тектонических нарушений, пересекающих его профиль – от сбросов до взбросо-надвигов, что, несомненно, отразилось на особенностях строения вмещающих пород [4, 5].

Материалы и методы исследования

В качестве объекта изучения инженерно-геологической и гидрогеологической специфики строения вмещающей толщи по трассе тоннеля в рамках статьи был выбран фрагмент трассы протяженностью около 1 км. Изучение полученных результатов бурения позволило установить высокую неоднородность флишевой толщи в зависимости от положения в разрезе разрывных нарушений (рис. 1).

Выявленная неоднородность заключалась в различии степени трещиноватости вмещающих пород, для количественной оценки которой были использованы показатель качества породы RQD и модуль трещиноватости Mj. Согласно нормативным документам показатель RQD определяется как отношение общей длины сохранных кусков керна длиной более 10 см к длине пробуренного интервала в скважине, модуль трещиноватости – числом трещин на 1 м линии измерения нормально главной или главным системам трещин. В соответствии с численными значениями данных показателей горные породы по степени трещиноватости подразделяются на пять групп – от очень слаботрещиноватых (Mj < 1,5; RQD 90–100 %) до очень сильнотрещиноватых (Mj > 1,5; RQD 0–25 %) [2].

Рис. 1. Участок трассы проектируемого тоннеля Условные обозначения: K2an – меловая система, верхний отдел, Ананурская свита – чередование известняков, мергелей, кварцевых песчаников и алевролитов; K2kr – меловая система, верхний отдел, Керкетская свита – ритмичное переслаивание тонкоплитчатых кремнистых известняков и мергелей, алевролитов, реже песчаников; K2nt1 – меловая система, верхний отдел, Натухаевская свита, нижняя подсвита – представлена песчаниками небольшой мощности при одновременном уменьшении мощности и количества слоев известняков; K2nt2 – меловая система, верхний отдел, Натухаевская свита, верхняя подсвита – ритмичное переслаивание известняков, мергелей и песчаников

Таблица 1

Характеристика степени трещиноватости флишевых пород в зонах тектонических разломов и вне их (применительно к вышеприведенному фрагменту трассы тоннеля)

Примечание: при оценке степени трещиноватости за основу был принят показатель RQD.

В соответствии с указанной классификацией сотрудниками кафедры гидрогеологии и инженерной геологии Санкт-Петербургского горного университета была проведена сравнительная оценка степени трещиноватости вмещающих пород как в пределах зон тектонических нарушений, так и вне их (табл. 1).

Таблица 2

Полученные величины водопритока в пределах выделенного фрагмента трассы тоннеля

В соответствии с данными табл. 1 по показателю качества керна RQD вмещающие породы в пределах зон тектонических нарушений характеризовались как очень сильнотрещиноватые, вне указанных зон – как слаботрещиноватые. Особенностью указанной трещиноватости, выявленной в полевых условиях, являлось наличие систем трещин северо-западного и северо-восточного простирания, связанных с региональными разломами и осложненных более мелкой трещиноватостью разной направленности.

Интенсивная степень дезинтеграции вмещающих пород послужила фактором формирования в них грунтового водоносного горизонта верхнемеловых отложений, уровень которого расположен выше проектных отметок тоннеля и варьирует от 1,0 м до 76,0 м. Для оценки влияния подземных вод на производство горнопроходческих работ выполнен расчет возможного водопритока в проектируемый тоннель [6–8]. На основе гидродинамической схемы, выбранной производственной организацией, сотрудниками Горного университета Санкт-Петербурга были выполнены расчеты с использованием формул (1), (2):

, (1)

где k – коэффициент фильтрации пород, м/сут; h – средняя глубина фильтрационного потока, м; S – напор воды над сводом тоннеля, м; Ф – коэффициент, рассчитываемый по формуле

, (2)

где l – расчетная длина трассы тоннеля, м; rd – радиус влияния воронки депрессии, м; rh – радиус тоннеля, м; y1 – мощность водоносного горизонта в рассчитываемом интервале, м;

Выполненные расчеты показали, что в пределах выделенного фрагмента трассы (рис. 1), величина водопритока в тоннель может варьировать от 163,8 до 228,4 м3/сут (табл. 2).

В соответствии с данными, приведенными в табл. 2, наибольшие значения водопритока были получены для пород в зонах тектонических нарушений, вне их – водоприток несколько ниже.

Наличие сильнотрещиноватых, обводненных пород, приуроченных к зонам тектонических нарушений, поставило под сомнение их устойчивость при проходке проектируемого тоннеля. Вполне вероятно, что при строительстве в указанных зонах возможно возникновение вывалообразования [9]. Для прогноза развития указанного процесса сотрудника кафедры были проведены расчеты с использованием формулы Н.С. Булычева [10]:

(3)

где S – эмпирический показатель устойчивости; f – коэффициент крепости пород по М.М. Протодьяконову; КМ и КN – коэффициенты, учитывающие влияние степени трещиноватости пород и число систем трещин соответственно; КR – коэффициент, зависящий от характера поверхности стенок; КW – коэффициент, зависящий от увлажнения пород; Кt – коэффициент, оценивающий степень раскрытия незаполненных трещин; КA и Кα – коэффициенты, зависящие от характера заполнителя трещин и от угла α между осью выработки и основным направлением трещины соответственно.

В зависимости от показателя устойчивости S породы по их предрасположенности к вывалообразованию делятся на пять групп: I – вполне устойчивые (> 70); II – устойчивые (5–70); III – средней устойчивости (1–5); IV – неустойчивые (1–0,05); V – весьма неустойчивые (< 0,05).

Результаты расчетов устойчивости пород к вывалообразованию приведены в табл. 3.

Из табл. 3 видно, что в пределах зон тектонических нарушений показатель S изменялся от 0,05 до 0,64 (неустойчивые породы), вне – от 0,5 (неустойчивые) до 1,2 (средней устойчивости). Наличие неустойчивых пород вне зон тектонических разломов можно объяснить их высокой обводненностью безнапорными водами верхнемелового горизонта.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты оценки трещиноватости флишевых пород, величин возможного водопритока, а также устойчивости вмещающей толщи к вывалообразованию были использованы в качестве основных критериев для создания схемы инженерно-геологического зонирования трассы тоннеля, основная цель которой – правильность выбора типа проходки и технологии производства работ [11]. Всего по трассе тоннеля были выделены три зоны по степени благоприятности осуществления горнопроходческих работ (табл. 4).

Согласно критериям, представленным в табл. 4, было выполнено инженерно-геологическое зонирование трассы на примере фрагмента проектируемого тоннеля (рис. 2).

Стоит отметить, что в соответствии со схемой инженерно-геологического зонирования основная часть выделенного фрагмента состояла из неблагоприятных и весьма неблагоприятных зон [12]. Применительно ко всей трассе проектируемого тоннеля общая протяженность таких зон составила более 3,5 км (свыше 80 % от общей протяженности).

Таблица 3

Результаты расчетов устойчивости пород к вывалообразованию в пределах выделенного фрагмента трассы

Таблица 4

Основные критерии инженерно-геологического зонирования в пределах выбранного фрагмента трассы

Примечание: *при различии критериев в рамках одной зоны за основу принималась категория устойчивости пород.

Рис. 2. Схема инженерно-геологического зонирования трассы проектируемого тоннеля (фрагмент). Инженерно-геологические зоны: I – благоприятная; II – неблагоприятная; III – весьма неблагоприятная

Выводы

На основе полученных результатов могут быть сделаны следующие выводы:

1. При проектировании тоннеля в сложных структурно-тектонических условиях необходимо учитывать сейсмичность рассматриваемой территории и особенности её геологического строения – формы залегания горных пород, наличие разрывных нарушений, подземных вод и др.

2. Проведению строительных работ по трассе проектируемого тоннеля должна предшествовать комплексная инженерно-геологическая оценка вмещающих пород. При этом особое внимание должно быть уделено изучению их трещиноватости, её влиянию на физико-механические свойства, ширину раскрытия, наличие заполнителя и его характер, водообильность, а также возможность возникновения опасных инженерно-геологических процессов (вывалообразования и др.).

3. Результаты комплексной оценки пород по трассе тоннеля могут быть представлены в виде схемы инженерно-геологического зонирования, в основу которой должны быть заложены критерии, необходимые для выбора наиболее рационального типа проходки и безопасного производства строительных работ.