free templates joomla

Доклад "Геологические риски неустойчивости склонов при строительстве комбинированной скоростной дороги протяженностью 48,2 км в рамках подготовки зимних Олимпийских игр 2014 г. в Сочи, Россия"

Т.З. Кудакаев, генеральный директор ООО "Алькомп-Европа"
М.Г. Родоманченко, заместитель директора ОАО "РОСЖЕЛДОРПРОЕКТ"
Профессор д.т.н. Х. Бок, Q+S Consult, Бад Бентхайм, Германия
Профессор Г. Рафат, R&K Geo-Engineering Ltd., Дуйсбург, Германия
К.т.н. А.Ю. Ведяев, главный геолог ООО "Алькомп-Европа"
Доктор П. Альтхауз, Ш. Петерс, DMT GmbH & Co. KG, Эссен, Германия

В настоящем докладе рассматриваются геологические риски, возникающие вследствие неустойчивости склонов для строящегося отрезка железной дороги "Адлер – горнолыжный курорт "Альпика-Сервис". При этом детально представлены: (1) методика распознавания оползней на местности; (2) сейсмические исследования для установления границы рыхлых и скальных пород, а также (3) разработка программы долговременного геомониторинга.

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время (2011 год) в районе Сочи в связи с подготовкой зимних Олимпийских игр 2014 г. в России выполняются масштабные инфраструктурные проекты. Для сообщения с горнолыжными курортами при этом служит строящаяся комбинированная трасса длиной 48,2 км между г. Адлер на побережье Черного моря и конечной станцией "Альпика-Сервис", расположенной на высоте 540 м над уровнем моря (рис. 1). Параллельно железнодорожной ветке строится скоростная автомагистраль. Трасса проходит вдоль русла р. Мзымта, глубоко врезанного в западные отроги Кавказских гор. На значительных участках долина заметно сужена. На таких участках трассу прокладывают либо на сваях, либо с помощью выемок склонов. Кроме того, на шести участках трасса проходит в расположенных на склонах туннелях максимальной длиной до 6 км. В силу своего топографического, географического и геологического положения трасса подвергается значительным георискам, преимущественно связанным с паводками, землетрясениями и склоновыми процессами.

Настоящее сообщение ограничивается исследованием потенциальных угроз скоростной трассе вследствие неустойчивости склонов. Соответствующие работы проводятся по поручению РЖД (ОАО "Российские железные дороги") с начала 2011 г. фирмой ООО "Алькомп-Европа" (Москва) в тесной кооперации с немецкими фирмами. К моменту написания настоящего сообщения (май 2012 г.) скоростная трасса была построена примерно на 80%. К началу 2013 г. должна начаться эксплуатация в тестовом режиме.

В настоящем сообщении более подробно будут затронуты следующие аспекты:

  • методика распознавания сдвижения породных масс на местности (гл. 2);
  • сейсмические исследования для установления границы рыхлых и скальных пород и для определения направления перемещения и глубины потенциальных оползневых тел (гл. 3);
  • разработка программы долговременного мониторинга (гл. 4).

Рис. 1. Карта Google отрезка пути длиной 48,2 км, соединяющего город Адлер на побережье Черного моря (слева внизу) и горнолыжный курорт Альпика-Сервис (справа вверху)

Рис. 1. Карта Google отрезка пути длиной 48,2 км, соединяющего город Адлер на побережье Черного моря (слева внизу) и горнолыжный курорт "Альпика-Сервис" (справа вверху)

2. МЕТОДИКА РАСПОЗНАВАНИЯ СДВИЖЕНИЯ ПОРОДНЫХ МАСС НА СКЛОНАХ

2.1 Геологическое строение участков

Рассматриваемые склоны сложены преимущественно выходами осадочных пород:

  • расположенные в низовьях долины участки вблизи г. Адлер на Черном море сложены чередованием песчаников и аргиллитов хостинской свиты P3hs (моласса Кавказа). Слагающие свиту породы залегают почти горизонтально и образуют отчетливые ступени в рельефе. Склоны характеризуются высо-тами до 100 м;
  • участки в средней части сложены глинистым мергелем, мергелистой глиной, аргиллитами и песчаниками палеогеновой мацестинской свиты P3mc, а также мергелистыми глинистыми сланцами (местами с углистыми остатками растений), известняками и конгломератами казачебродской K2kzb и других свит верхнего и нижнего мела. Слои залегают преимущественно под углом 15° в поперечном к склонам направлении. Высота склонов находится в диапазоне порядка 300 м;
  • в верховьях долины вблизи конечной станции "Альпика-Сервис" залегают смятые в складки глинистые сланцы и аргиллиты нижнеюрской эстосадокской свиты J1es, частично прорванные дайками порфиритов. Высота склонов составляет местами более 1000 м.

Эти толщи пород перекрыты рыхлыми отложениями различной мощности. На отдельных участках последние состоят из террасовых аллювиальных галечников, однако прежде всего – из перемещенных оползневых отложений. В какой степени эти отложения свидетельствуют о древних или же развивающихся современных сдвижениях (представляющих тем самым реальную угрозу трассе), и составляет предмет насоящего исследования.

2.2 Классификация сдвижений пород

Основу для ответа на вопрос о реальности угрозы трассе со стороны тех или иных активных сдвижений масс горных пород составляет детальное инженерно-геологическое картирование в комплексе с исследованием керна 132 разведочных скважин. Полевые маршруты учитывали многочисленные проявления, которые рассматриваются как типичные при перемещениях масс горных пород по склонам.

Классификация массовых сдвижений по Немчику и др. (Nemčok et al., 1972)

Рис. 2. Классификация массовых сдвижений по Немчику и др. (Nemčok et al., 1972) - [1]

На рис. 2 дана классификация сдвижений масс горных пород по склонам по Немчику [1], причем все 21 тип объединены в четыре основных механизма сдвижения: "крип (оплывание)", "скольжение", "течение" и "падение". Аналогичная классификация создана и Британской геологической службой (BGS).

Глубокие склоновые процессы в более или менее полого залегающих слоистых толщах пород с прослоями аргиллитов (или глинистыми контактами слоев) в целом характеризуются механизмом разрушения по типу 13 и 14 (рис. 2). При этом механизм разрушения типа 14 в верхней части склона характеризуется "активным" блоком, который ступенчато смещается вниз, и более или менее горизонтально двигающимся в нижней части склона "пассивным" блоком. При этом граница между активным и пассивным блоками формирует падающую в сторону склона антитетическую поверхность раздела, что на местности нередко проявляется в виде локальной морфологической депрессии. Несогласно падающая поверхность раздела может также быть образована в виде системы соответствующим образом ориентированных  поверхностей отрыва или флексуры. Поэтому в ходе полевых маршрутов особое значение придавалось возможным морфологическим признакам данного типа разрушения.

Признаки масштабной и глубокой склоновой деформации по Мозеру и Вайднеру (Moser und Weidner, 2000) - [2]
Рис. 3. Признаки масштабной и глубокой склоновой деформации по Мозеру и Вайднеру (Moser und Weidner, 2000) - [2]

Склоны в исследуемой области характеризуются перепадами высот, достигающими альпийских диапазонов. На альпийских высотах могут проявляться глубокие комплексные склоновые деформации, связанные с понятиями "раскол склона", "оседание" и "сдвижение в долину" (рис. 3).

Раскол склона проявляется в верхних частях горы, у ее вершины и по ту сторону. Он характеризуется параллельными склону мульдами, двойным гребнем и падающими от склона поверхностями скола. Оседание в средней части склона отличается опусканием земной поверхности и зонами трещиноватости. Тогда в нижней части склона может последовать выпучивание материала и перемещение в долину ("сдвижение в долину"), сопровождаемое большим углом естественного откоса подножья склона и в некоторых случаях также воздыманием дна долины. Все эти морфологические индикаторы должны рассматриваться только в комплексе, поскольку тот или иной отдельно взятый индикатор может быть обусловлен совсем другими причинами, как, например, речные террасы в условиях пенеплена или ребра жесткости обрыва над береговой террасой.

3. СЕЙСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ РАЗГРАНИЧЕНИЯ РЫХЛЫХ И СКАЛЬНЫХ ПОРОД

3.1 Полевые методы сейсморазведки

Участки склонов, рассматриваемые как потенциально опасные, исследовались с помощью сейсмических методов, прежде всего для определения границы между рыхлыми и скальными породами. Ниже приводятся наиболее важные технические параметры:

Параметры сейсморазведки:

  • аппаратура: DMT Summit I (24 bit);
  • программа: Summit Acquisition Tool 3.11 for Windows;
  • длина записи: 1024 ms;
  • шаг дискретизации: 0,25 ms;
  • суммирование: bis zu 6-fach;
  • формат данных: SEG-2;
  • накопитель: Hard Disk / USB-флэш.

Расстановка:

  • источник: кувалда (5 кг), взрывчатое вещество (100 г; взрыватель с замедлителем 20-40 или 80 мс);
  • расстояние между шпурами: 5 м;
  • расстояние между геофонами: 2,5 м;
  • тип геофонов: Einzelgeophone, 10 Hz, GS 20 DX (OYO Geospace).

3.2 Пример

В качестве примера может служить участок склона у пикета 42,2 км. Этот участок расположен непосредственно у северо-восточных порталов железно- и автодорожного тоннелей (ж/д тоннель №5 перед станцией "Эсто-Садок") и представляет, тем самым, зону повышенного риска. Изыскания на этом участке были выполнены с соответствующей детальностью, что нашло выражение в числе и плотности разведочного бурения и сейсмических профилей (рис. 4 и таблица 1).

Участок склона у пикета 42,2 км у северо-восточных порталов железно- и автодорожного туннелей с точками заложения разведочных сква-жин и линиями сейсмических профилей
Рис. 4. Участок склона у пикета 42,2 км у северо-восточных порталов железно- и автодорожного тоннелей с точками заложения разведочных скважин и линиями сейсмических профилей

В число собранных данных входят такие, которые имеют значение для геотехнических исследований и выводов – топографические, буровые, сейсмические и данные инженерно-геологического картирования. Все полученные данные были интегрированы с помощью компьютерной системы геологического моделирования PETREL, проверены и, в случае необходимости, скорректированы, чтобы получить внутренне непротиворечивый набор исходных данных.

Таблица 1. Сейсмические профили на участке у пикета 42.2 км

Профиль

Длина [м]
(
проектная)

Длина [м]
(
фактическая)

Источник колебаний

1
2
3
A
B
C

632
600
191
243
304
248

445
453
498
601
508
351

Sprengung
Hammer
Hammer
Sprengung
Hammer
Hammer

3.3 Предварительные итоги

В качестве предварительных результатов всех упомянутых выше исследований является карта распространения и мощности оползневых тел (рис. 5), а также сопоставление объемов последних (таблица 2).

Участок склона у пикета 42,2 к, на котором нанесены положение и мощность оползневых тел по сейсмическим и инженерно-геологическим данным

Рис. 5. Участок склона у пикета 42,2 к, на котором нанесены положение и мощность оползневых тел по сейсмическим и инженерно-геологическим данным

С учетом описанных в главе 2 полевых исследований получены следующие предварительные результаты:

1. Рассматриваемые в рамках данного проекта склоны находятся в состоянии естественного равновесия. Наблюдаемые, равно как и предполагаемые сдвижения представляют собой снос материала в долину р. Мзымта. Они, таким образом, являются частью естественного эрозионного процесса.    

2. Механизм сдвижения масс горных пород повсеместно поверхностный, чаще всего проявляются:  

  • сели (рис. 2, тип 16 и 17);    
  • скольжение обломочных глыб (тип 11);
  • крип, сползание склона (тип 9).     

Можно исходить из того, что эти формы неустойчивости склонов несут лишь слабую угрозу для железной дороги, которая – если она произойдет – может быть также быстро устранена. Единственным исключением является участок в районе конечной станции "Альпика-Сервис" (см. пункт 5 ниже).

Таблица 2. Объемы выявленных оползневых тел

Оползневое тело

Объем [м³]

Западное
Восточное

31 300
47 600

3. Хотя в настоящее время глубоких деформаций и неустойчивости склонов в смысле рис. 3 не наблюдалось, их нельзя полностью исключить заранее.    

4. Всякие строительные работы в области склонов, например, подрезка подошвы склона или строительство дороги в верхней его части, приведут к нарушению упоминавшегося в п. 1 состояния естественного равновесия и могут вызвать серьезные проблемы. Поэтому воздействия на естественное равновесие склонов должны быть минимальными и их следует проводить только с учетом геолого-инженерных представлений.    

5. Ввиду повышенной уязвимости зоны конечной станции Альпика-Сервис, имеющей пропускную способность по-рядка 8000 пассажиров в час, в отношении геологических рисков неустойчивости склонов и учитывая уже проявившиеся смещения вдоль подпорной стены у подножья, проведенные изыскания представляются хотя и необхо-димыми, но ни в коей мере не достаточными. На этом мы более подробно остановимся в гл. 4.

4. ПРОГРАММА ДОЛГОСРОЧНОГО МОНИТОРИНГА

4.1 Постановка задачи и основные положения

4.1.1 Выбор целей с учетом специфики проекта  

Программа рассчитана, прежде всего, на наблюдение за геологическими рисками, особенно сдвижением масс горных пород, для обеспечения сохранности имущества и надежности эксплуатации комбинированной автомобильной и железной дороги "Адлер – "Альпика-Сервис", причем, на период времени и после 2014 г., который является годом проведения Олимпийских игр.

4.1.2 Дальнейшие перспективы

Кроме того, программа имеет перспективы в масштабах всей России. ОАО «Российские Железные Дороги» стоит на пороге широкомасштабной инвестиционной программы модернизации своего путевого хозяйства. Проект долгосрочного мониторинга задуман как пилотный проект в области мониторинга в рамках этой широкомасштабной программы.

4.1.3 Стандарты и технический уровень

Программа долгосрочного мониторинга последовательно учитывает технический уровень, как он зафиксирован в соответствующих нормативных документах [3], [4], [5]. Особенно следует придерживаться следующей посылки: "техника измерений геологических процессов представляет собой не просто использование определенных измерительных приборов, но напротив является масштабной инженерной задачей, требующей системного подхода, начиная с постановки задачи измерений и вплоть до – если это позволяют результаты измерений – выработки конструктивных решений. В этой последовательности каждый шаг является решающим для успеха (или неудачи) всего измерительного проекта, в котором – вообще говоря – возможности приборов и способности персонала составляют единое целое". [5].

4.1.4 Стадии проекта

Каждый проект внутри данной долгосрочной программы мониторинга включает следующие три специфические проектные стадии:     

Стадия (1): выявление проблемы  
Эта стадия охватывает постановку геотехнической задачи [здесь: обеспечение безопасности трассы в отношении сдвижения масс горных пород с соседних склонов], выработку гипотез относительно вероятных механизмов срыва [здесь: поверхностные (сели; крип и т.д.) и/или глубокопроникающие механизмы], а также реализацию простой экономичной и эф-фективной программы измерений.

Стадия (2): детальная программа измерений
К этой стадии переходят только в том случае, если до этого уже доказано существование продолжительных сдвижений масс и заранее нельзя исключить угрозу трассе.

Стадия (3): геотехническая оценка и конструктивные решения     
К этой стадии переходят только в том случае, если уже определены существенные с точки зрения задачи геомеханические и метеорологические параметры, обеспечивающие возможность проведения геотехнической оценки устойчивости, если только мониторинг не указывает на "пропущенную опасность", требующую немедленных конструктивных решений.

4.2 Состав программы мониторинга

В целом программа охватывает следующие важнейшие методы и приборы.

Для выявления проблемы на стадии (1):

  • InSAR: интерпретация данных спут-никовой радарной интерферометрии за период с 1992 г. (существуют ли доказанные склоновые оползни?);
  • погружаемый инклинометр (продолжи-тельные сдвиговые смещения в фундаменте?);
  • стационарная цифровая камера.

Для детальной программы стадии (2):

  • соответствующие виды дистанционной разведки смещений реперных точек на поверхности, среди них:     
    • подвижный тахеометр с автоматическим захватом реперного знака;
    • наземное лазерное сканирование (TLS);
    • наземный радар [TInSAR = terrestrial (or ground-based) interferometric synthetic aperture radar];
    • спутниковый радар [SInSAR = Satellite interferometric synthetic aperture radar];
    • GPS и/или D-GPS = Differential global positioning system; сегодня: GNSS = Global Navigation Satellite System, так называемая "3G+C":
    • GPS (USA)    
    • Glonass (RUS)    
    • Galileo (EU)    
    • Compass (China);
  • стационарный инклинометр (измерительная цепь);
  • экстензометр (вспомогательный);
  • пьезометр (в различных точках);
  • уровень (вспомогательный);
  • метеостанция (температура, атмосферное давление, осадки)
  • геофоны (уровень шума вследствие сдвиговых смещений в фундаменте);
  • скважинная геофизика (для лучшей интерпретации результатов измерений).

4.3 Пример: мониторинг склонов над вокзалом конечной станции "Альпика-Сервис"

Строительство конечной станции Альпика-Сервис (май 2012 г.) – вид со стороны подножья упирающегося в вокзал склона

Рис. 6. Строительство конечной станции Альпика-Сервис (май 2012 г.) – вид со стороны подножья упирающегося в вокзал склона

Учитывая пропускную способность порядка 8000 пассажиров в час, уже ранее указывалось на особые требования к безопасности конечной станции "Альпика-Сервис" и связанные с ней потенциально высокие геориски:

    R = E  * V
где:    R = риск     
    E = вероятность наступления    
    V = уязвимость (Vulnerabilität).

Результаты стадии (1) исследования подтверждают, что следует считаться с вероятностью наступления сдвижения масс горных пород примыкающего с юга склона. В пользу этой версии говорят помимо прочего следующие наблюдения:

  • смещения в подошве склона (деформация временной шпунтовой стенки), а также перемещение участка массивной подпорной стены на расстояние примерно 200 мм (рис. 7);
  • погружаемый инклинометр показал существование сдвиговой зоны в верхней части склона примерно 85 м выше вокзала (рис. 8).

Массивная подпорная стена у подножья склона

Рис. 7. Массивная подпорная стена у подножья склона

 Поверхность смещения в верхней части склона, выявленная с помощью инклинометрии

Рис. 8. Поверхность смещения в верхней части склона, выявленная с помощью инклинометрии

Как и ожидалось, спутниковая радарная интерферометрия InSAR не дала информации о прошлых оползневых явлениях. В условиях плотной залесенности склонов отсутствуют подходящие отражатели, разве только на участках речных долин с малым растительным покровом.

В силу вышеназванных причин (особая уязвимость, выявление возможно заложившегося сдвижения масс горных пород) склон над конечной станцией был выбран в качестве пилотного объекта для второй стадии мониторинга. С этой целью на момент подготовки настоящего сообщения проводилось расширение и полная автоматизация системы измерений с использованием оборудования, описанного в гл. 4.2. При этом с точки зрения техники измерений общий геотехнический интерес представляет то, что серия струнных пьезометров должна быть смонтирована согласно новейшим разработкам [6].

Сбор и обработка всех данных измерений (включая геодезические, радарные, метеорологические и фотографические данные) осуществляется в реальном времени с помощью программного комплекса «Safeguard» фирмы DMT, после чего они становятся доступны определенным пользователям через Интернет по специальной процедуре доступа. При этом важную роль играют:

  • контроль состояния используемых систем;
  • обработка данных в реальном времени для учета поправки атмосферных влия-ний;
  • геоинформационное отображение результатов в реальном времени;
  • диаграммы время/смещение для отдельных выбранных точек;
  • отображение опасных участков;
  • функция раннего оповещения (с помощью Email и SMS) в случае превышения определенных пороговых значений;
  • экспорт данных в другие системы, например, GIS или CAD;
  • интерактивная визуализация результатов с помощью ESRI Web-GIS Frontend.

5. ПЕРСПЕКТИВЫ

Так как, по мнению авторов, для безопасности конечной станции со стороны сдвижений масс горных пород вероятная  угроза пока еще отсутствует, то стадия (3) с ее углубленной геотехнической оценкой и начало возможных дополнительных конструктивных мероприятий были отложены до получения новых данных в результате реализации комплексной программы геомониторинга. Однако уже сейчас ясно, что при размерах упомянутого склона с высотами более 1000 м предпринятых защитных мероприятий (см. рис. 7) может оказаться недостаточно для удержания всего оползня без мер его стабилизации геотехническими мероприятиями. Для долгосрочной стабилизации склона особенно может потребоваться такая мера, как снижение напора подземных вод с помощью глубокого дренирования, а также эффективный отвод поверхностных вод как с поверхности оползневого тела, так и с прилегающих выше склонов по его верхней границе.

В любом случае, строительство в оползневых зонах крупных объектов с заглубленными защитными сооружениями влечет за собой глобальное перераспределение уровней грунтовых вод и напряжений в грунтовом массиве, которое всегда сопровождается активизацией сдвижений. Поэтому наблюдение, отслеживание и понимание этого процесса является одной из главных задач геомониторинга для обеспечения безопасной эксплуатации объекта.

Описанная выше программа геомониторинга для управления геологическими рисками сдвижения масс горных пород является новой по форме, по крайней мере, для масштабного строительства в районе Сочи. Будет интересно увидеть реакцию на нее других участников развернувшегося в Сочи строительства (заказчиков и подрядчиков). Ведь очевидно, что такой геориск, как неустойчивость склонов, представляет опасность не только для железной и автомобильной дорог, но и для других многочисленных строящихся сооружений в районе проведения  соревнований.

Благодарности

Авторы выражают благодарность ОАО "РЖД" за поддержку и разрешение публикации данных материалов.

Список литературы

[1]    Nemčok, A.; Pašek, J. & Rybář, J. (1972). Classification of landslides and other mass movements. – Rock Mech., 4: 71-78.
[2]    Weidner, S. & Moser, M. (2000). Der Bewegungsverlauf tiefgreifender Hangdeformationen. - Geoforum Umhausen/Tirol.
[3]    DIN 4107-1: 2010-10 (2010). Geotechnische Messungen – Teil 1: Grundlagen. – 22 S. Berlin (Beuth).
[4]    CEN TC 341, WG1, TG2 (2013). Geotechnical investigation and testing – Geotechnical monitor-ing by field instrumentation – General rules. – 30 p., Paris (CEN) (in preparation).
[5]    Dunnicliff, J.; Marr, W.A. and Standing, J. (2012). Principles of geotechnical monitoring. – ICE Manual of Geotechnical Engineering, Chapter 94, London (ICE Publ.).
[6]    Contreras, I.A.; Grosser, A.T. and Ver Strate R. H. (2012). Update of the fully-grouted method for pi-ezometer installation. – GIN Geotechnical Instru-mentation News, June 2012, p. 10-15.