630
.pdfной жесткостью, количеством водородных ионов, ионов сульфатов, ионов магния и свободной кислоты.
Временная жесткость воды характеризуется наличием в ней бикарбонатов (двууглекислых солей) и исчисляется в условных градусах. Один градус жесткости соответствует содержанию в 1 л воды двууглекислых солей в количестве, эквивалентном 10 мг окиси кальция СаО. Воду, имеющую временную жесткость менее 6°, называют мягкой, в пределах 6...…15° – средней жесткости, 15...…24° – жесткой, при больших значениях – весьма жесткой. Чем больше временная жесткость воды, тем она более агрессивна к цементам. Вода с временной жесткостью менее 6° агрессивна по отношению к портландцементам, при 1,5° – к пуццолановым цементам.
Количество водородных ионов оценивают так называемым водородным показателем pH, выраженным в условных единицах. Вода считается агрессивной, если водородный показатель не превосходит 7 ед. при временной жесткости 24° и 6,7 ед. при большей жесткости. При содержании водородных ионов в большем количестве вода не агрессивна по отношению к любым цементам.
Вода с присутствием ионов сульфатов SO'4 менее 250 мг/л
не агрессивна по отношению к портландцементам, а менее 1000 мг/л – даже к пуццолановым цементам. Агрессивность сульфатных вод устанавливают в зависимости от количества в них ионов хлоридов Cl'. Вода агрессивна при следующих соотношениях Cl' и SO'4, мг/л:
Cl' |
SO'4 |
0...3000 |
Более 250 |
3001...5000 |
Более 500 |
|
|
Более 5000 |
Более 1000 |
|
|
Соли магния оказывают вредное влияние на портландцемент только при концентрации ионов магния Mg' более 5000 мг/л, а на пуццолановые – в зависимости от соотношений SO'4 и Mg', мг/л:
SO'4 |
Mg' |
SO'4 |
Mg' |
0...1000 |
Более 5000 |
2001…3000 |
Более 2000 |
1001...2000 |
Более 3000 |
3001...000 |
Более 1000 |
|
|
|
|
По наличию свободной углекислоты СО2 вода является агрес-
сивной, если фактическое содержание СО2 по данным химичес-
21
кого анализа превосходит величину, при которой реакция углекислоты с цементом остается нейтральной. Предельную концентрацию свободной углекислоты в зависимости от содержа-
ния в воде ионов кальция Ca' определяют по формуле: |
|
CO2 = a (Ca') + b, |
(1.5) |
где a, b – коэффициенты, зависящие от наличия в воде (SO'4 + Cl'),
мг/л (табл. 1.5).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица |
1.5 |
||
Коэффициенты a и b для вычисления содержания свободной |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
углекислоты |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Временная |
|
|
|
|
Содержание (SO'4 + |
Cl'), мг/л |
|
|
|
|
|
||||
жесткость, |
0…200 |
201...400 |
|
401...600 |
601...800 |
801…1000 |
|
> 1000 |
|||||||
град |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
b |
a |
b |
|
a |
b |
a |
b |
a |
b |
|
a |
|
b |
|
|
|
|
|
||||||||||||
6 |
0,07 |
19 |
0,06 |
19 |
|
0,05 |
18 |
0,04 |
18 |
0,04 |
18 |
|
0,04 |
|
18 |
7 |
0,10 |
21 |
0,08 |
20 |
|
0,07 |
19 |
0,06 |
18 |
0,06 |
18 |
|
0,05 |
|
18 |
8 |
0,13 |
23 |
0,11 |
21 |
|
0,09 |
19 |
0,08 |
18 |
0,07 |
18 |
|
0,07 |
|
18 |
9 |
0,16 |
25 |
0,14 |
22 |
|
0,11 |
20 |
0,10 |
19 |
0,09 |
18 |
|
0,08 |
|
18 |
10 |
0,20 |
27 |
0,17 |
23 |
|
0,14 |
21 |
0,12 |
19 |
0,11 |
18 |
|
0,10 |
|
18 |
11 |
0,24 |
28 |
0,20 |
25 |
|
0,16 |
22 |
0,15 |
20 |
0,13 |
19 |
|
0,12 |
|
19 |
12 |
0,28 |
32 |
0,24 |
27 |
|
0,19 |
23 |
0,17 |
21 |
0,15 |
20 |
|
0,14 |
|
20 |
13 |
0,32 |
35 |
0,28 |
28 |
|
0,23 |
24 |
0,20 |
22 |
0,19 |
21 |
|
0,17 |
|
21 |
14 |
0,36 |
36 |
0,32 |
30 |
|
0,25 |
26 |
0,23 |
23 |
0,21 |
22 |
|
0,19 |
|
22 |
15 |
0,40 |
38 |
0,37 |
31 |
|
0,29 |
27 |
0,25 |
24 |
0,25 |
23 |
|
0,22 |
|
23 |
16 |
0,44 |
41 |
0,40 |
33 |
|
0,32 |
28 |
0,29 |
25 |
0,27 |
24 |
|
0,25 |
|
24 |
17 |
0,48 |
43 |
0,43 |
35 |
|
0,36 |
30 |
0,33 |
26 |
0,30 |
25 |
|
0,28 |
|
25 |
18 |
0,54 |
46 |
0,47 |
38 |
|
0,40 |
32 |
0,36 |
28 |
0,33 |
27 |
|
0,31 |
|
27 |
19 |
0,61 |
48 |
0,49 |
39 |
|
0,45 |
33 |
0,41 |
30 |
0,37 |
29 |
|
0,34 |
|
28 |
20 |
0,67 |
51 |
0,55 |
41 |
|
0,48 |
35 |
0,45 |
31 |
0,41 |
30 |
|
0,38 |
|
29 |
21 |
0,74 |
53 |
0,60 |
43 |
|
0,53 |
37 |
0,48 |
33 |
0,45 |
31 |
|
0,41 |
|
31 |
22 |
0,81 |
55 |
0,65 |
45 |
|
0,58 |
38 |
0,52 |
34 |
0,49 |
33 |
|
0,44 |
|
32 |
23 |
0,88 |
58 |
0,70 |
47 |
|
0,62 |
40 |
0,58 |
35 |
0,53 |
34 |
|
0,48 |
|
33 |
24 |
0,96 |
60 |
0,77 |
49 |
|
0,68 |
42 |
0,63 |
37 |
0,61 |
36 |
|
0,52 |
|
35 |
25 |
1,04 |
63 |
0,81 |
51 |
|
0,73 |
44 |
0,67 |
39 |
0,61 |
38 |
|
0,56 |
|
37 |
Например, в результате химического анализа воды, взятой из системы водоотвода тоннеля, получены следующие данные:
временная жесткость 11°; SO'4 – 43,6 мг/л; Cl' – 62,0 мг/л; CO2
– 70,1 мг/л; (SO'4 + Cl') = 43,0 + 62,0 = 105,0 мг/л. По табл. 1.5
для этих данных находим: a = 0,24; b = 28, затем по формуле (1.5) определяем пороговое значение концентрации CO2 = a (Ca') + + b = 0,24•101,0 + 29 = 53,24 мг/л. В рассматриваемом примере количество CO2 достигает 70,1 мг/л, что означает агрессивность воды по отношению к цементам. Влияние различных солей и веществ на коррозию металла и железобетона показано в табл. 1.6.
22
Таблица 1.6
Влияние растворимых солей в подземных водах на коррозию металла и железобетона
Агрессивные ве- |
Характер влияния и ориентировочные значения |
||
щества и показа- |
показателей среды, вызывающие коррозию |
||
тели коррозион- |
|
|
|
ного воздействия |
металла и чугуна |
бетона и железобетона |
|
1. Kонцентрация |
Чем меньше значение рН во- |
рН < 6 является опасным |
|
водородных |
ды, тем интенсивней корро- |
|
|
ионов (рН) |
зия; рН < 6 является |
|
|
|
опасным |
|
|
2. Органические |
В больших количествах вы- |
Повышенное содержание |
|
вещества (гумус) |
зывает кислую реакцию (рН |
гумуса опасно в условиях |
|
|
достигает 4,5) и усиливает |
биологической агрессии |
|
|
коррозию. Содержание в |
(см. п. 16) |
|
|
грунте более 1,5 % и в воде |
|
|
|
более 20 мг/л является |
|
|
|
опасным |
|
|
3. Азотные |
Усиливают коррозию. Со- |
|
|
соединения |
держание в грунтах более |
— |
|
(нитраты) |
0,01 % и в воде более 20 |
||
|
|||
|
мг/л является опасным |
|
|
4. Сульфаты |
Совместно с хлором за- |
Опасность содержания |
|
(SO4) |
трудняют образование за- |
сульфатов зависит от вида |
|
|
щитных пленок. Содержание |
цемента. Для бетона на |
|
|
в грунте более 0,1 % вызы- |
обычном портландцементе |
|
|
вает усиленную коррозию |
опасна концентрация в |
|
|
|
воде более 250 мг/л, на |
|
|
|
сульфатостойком – более |
|
|
|
3000 мг/л |
|
5. Хлориды |
Способствуют коррозии. |
Содержание хлоридов |
|
|
Содержание в грунте более |
опасно для железобетона |
|
|
0,1 % вызывает усиленную |
при концентрации более |
|
|
коррозию |
500 мг/л в условиях перио- |
|
|
|
дического смачивания, для |
|
|
|
бетона – более 10 г/л при |
|
|
|
наличии испаряющей |
|
|
|
поверхности |
|
6. Свободная |
Усиливает коррозию, раст- |
Вызывает растворение |
|
углекислота |
воряет защитные углекислые |
цементного камня и бетона |
|
|
пленки и является деполяри- |
|
|
|
затором металла. Содержа- |
|
|
|
ние более 40 мг/л является |
|
|
|
опасным |
|
|
7. Связанная |
Способствует образованию |
Способствует образова- |
|
углекислота |
защитных пленок на метал- |
нию защитных пленок на |
|
|
ле. Большое количество |
бетоне, повышает |
|
|
НСО3 может иметь отрица- |
стойкость к сульфатам |
|
|
тельное значение |
|
23
|
|
Продолжение табл. 1.6 |
Агрессивные ве- |
Характер влияния и ориентировочные значения |
|
щества и показа- |
показателей среды, вызывающие коррозию |
|
тели коррозион- |
|
|
ного воздействия |
металла и чугуна |
бетона и железобетона |
|
|
|
8. Kальций |
В составе хлоридов вызы- |
Жесткие воды, содержа- |
|
вает интенсивную коррозию |
щие кальций, способству- |
|
металлов, в составе двуугле- |
ют уплотнению бетона |
|
кислых солей способствует |
|
|
образованию защитных |
|
|
пленок |
|
9. Магний |
То же |
Магнезиальные соли |
|
|
разрушают бетон |
10. Щелочи и |
Обуславливают повышенную |
Опасны в сочетании с за- |
соли щелочных |
электропроводность среды; |
полнителями, содержащи- |
металлов |
в присутствии сульфатов и |
ми реакционноспособный |
|
хлоридов активно способ- |
кремнезем в количестве |
|
ствуют коррозии |
более 50 ммолей/л |
11. Сероводород |
Усиливают коррозию |
Опасны в условиях, благо- |
и сульфиды |
|
приятных для биологичес- |
|
|
кой коррозии (см. п. 16) |
12. Сухой |
Характеризует общее содер- |
Водорастворимые соли |
остаток |
жание растворимых приме- |
опасны ввиду возможнос- |
|
сей. Чем больше сухой оста- |
ти коррозионной кристал- |
|
ток, тем выше агрессивность |
лизации при содержании в |
|
среды (см. п. 4) |
воде свыше 10 г/л |
13. Окисляемость |
Характеризует общее со- |
Высокая окисляемость |
|
держание органических |
опасна в условиях биоло- |
|
веществ |
гической агрессии (см. п. 2 |
|
|
и п. 16) |
14. Общая жест- |
Жесткость более 15° – низ- |
Жесткость более 4° не вли- |
кость в градусах |
кая коррозионная актив- |
яет на бетон и железобе- |
жесткости |
ность, менее 8° – высокая |
тон в грунте |
15. Тяжелые ме- |
Высокая концентрация в во- |
Создает опасные условия |
таллы (6-валент- |
де, превышающая ПДK: для |
для персонала |
ный хром, марга- |
хрома – 0,1 мг/л, марганца |
|
нец, медь, циани- |
– 0,1 мг/л, меди – 2 мг/л, |
|
ды, ртуть, цинк) |
цианидов – 0,05 мг/л, ртути |
|
|
– 0,05 мг/л, цинка – 5,0 |
|
|
мг/л, оказывает вредное |
|
|
воздействие на организм |
|
|
человека |
|
16. Биологичес- |
См. п. 2 |
Содержание более 106 |
кая агрессия (ти- |
|
клеток/г грунта опасно |
оновые, сульфат- |
|
|
редуцирующие и |
|
|
нитрифицирую- |
|
|
щие бактерии) |
|
|
24
|
|
Окончание табл. 1.6 |
Агрессивные ве- |
Характер влияния и ориентировочные значения |
|
щества и показа- |
показателей среды, вызывающие коррозию |
|
тели коррозион- |
|
|
ного воздействия |
металла и чугуна |
бетона и железобетона |
17. Вынос в тон- |
Превышение допустимых |
Нефтепродукты разрушают |
нели нефтепро- |
норм содержания в |
битумную изоляцию, сни- |
дуктов (бензин, |
воздушной среде паров |
жают прочность бетона и |
продукты пере- |
нефтепродуктов, появление |
его сцепление с арматурой |
работки) |
запаха бензина, аммиака |
|
|
являются опасными |
|
18. Суммарное |
|
Опасно при содержании в |
содержание со- |
|
воде более 10 г/л |
лей при наличии |
— |
|
испаряющей |
|
|
поверхности |
|
|
Минимальные физиолого-гигиенические нормы обеспечения питьевой водой при ее дефиците, вызванном заражением водоисточников, в соответствии с ГОСТ 22.3.006-87 составляют 30 л/сут на здорового человека, 75 л/сут на одного пораженного, 45 л/сут на обмывку одного человека.
1.3.3. Влияние подземных газов
При проходке тоннелей в газоносных грунтовых массивах без специальной газоизоляции или системы газоотвода в выработку проникают вредные газы. Скопление газов в грунтовом массиве может произойти при наличии таких геологических структур, как ядра антиклинальных складок, газонепроницаемые слои в кровле выработки, пористые (пески, песчаники) или трещиноватые породы (известняки, доломиты). Сильная обводненность массива обычно ослабляет явления газоносности и внезапных выбросов. Наиболее часто в подземные выработки поступают углекислый (СО2), угарный (СО) и сернистый (SО2) газы, метан (CH4), сероводород (H2S), радон. Загазованность выработок вредными газами может произойти при длительной остановке вентиляционной установки. Окись углерода, сернистый газ, сероводород могут поступать в действующие тоннельные выработки из очага пожара.
Углекислый газ (СО2) в полтора раза тяжелее воздуха ( = 1,52 г/ см3), поэтому скапливается в нижней части выработки. Этот газ не ядовит, но при содержании в атмосфере окиси углерода (СО) 0,2 мл/л через 2…...3 ч у человека появляется сильная головная боль, а при концентрации 1,6 мл/л он теряет сознание с угрозой смерти через 30 мин, поэтому его концентрация не должна превышать 0,5 % объема выработки. Появление углекислого газа
25
наиболее вероятно в вулканических районах, вблизи угольных залежей, при наличии сбросовых трещин и других геологических нарушений.
Метан (рудничный газ) не имеет цвета и запаха, в 2 раза легче воздуха ( = 0,55 г/см3) и скапливается в верхней части выработки. При концентрации от 5,5 до 15 % метан с воздухом образует гремучую смесь и взрывается при воспламенении. Смесь, содержащая до 5 % метана, не взрывоопасна, но может гореть при наличии источника высокой температуры и кислорода. При возгорании метановоздушной смеси может быть два типа пламени: первичное, распространяющееся с большой скоростью, при которой весь кислород расходуется на сжигание газа, и вторичное, возникающее вследствие дожигания оставшегося газа кислородом воздуха, притекающим извне, движущееся в обратном направлении. При концентрации метана более 1 % выработку переводят на газовый режим с увеличением объема вентиляции и принятием мер против искрообразования. Смесь, содержащая более 15 % метана, взрывобезопасна и не поддерживает горения, с притоком кислорода извне горит спокойным пламенем. Встречается в районах залегания угля, нефтеносных и битумных отложениях.
Сероводород тяжелее воздуха ( = 1,19 г/см3), ядовит, обладает запахом тухлых яиц, вследствие чего легко обнаруживается. Разлагает известковые растворы и бетон. При содержании в воздухе более 0,1 % люди теряют сознание и зрение; при концентрации 6 % образует с воздухом взрывоопасную смесь. Проникает в выработки с подземными водами и заполняет все пространство.
Азот выделяется в небольших количествах в эффузивных грунтах и не представляет серьезной опасности для человека.
Основные характеристики вредных и опасных газов приведены в табл. 1.7.
При техногенных авариях на промышленных предприятиях и газопроводах в подземные выработки могут проникать другие вредные и ядовитые газы (например, аммиак, хлор). Любую вероятность проникновения в выработки вредных, ядовитых или взрывоопасных газов следует учитывать при разработке систем жизнеобеспечения. Для прогнозирования газодинамических явлений рекомендуется бурение разведочных скважин в забое выработки. В газоносных грунтах участки, на которых происходит деление керна или выход керна составляет менее
50 %, относят к выбросоопасным.
26
Таблица 1.7
Характеристики подземных газов
72
1.3.4. Геотермические условия
Температурный режим во многом определяет самочувствие проходчиков и производительность труда, поэтому является важным фактором безопасности. Температура тоннельной атмосферы определяется климатическими условиями района, глубиной заложения тоннельной выработки, теплопроводностью грунтов, циркуляцией подземных вод, связью с земной поверхностью, вентиляционным режимом и пр. В грунтовом массиве сезонные колебания температуры распространяются на сравнительно небольшую глубину (для средних широт – на 30…...35 м). По мере заглубления ниже уровня постоянной температуры происходит ее нарастание. Для оценки интенсивности нарастания температуры используют две характеристики: геотермическую ступень и геотермический градиент. Геотермическая ступень (глубина, соответствующая повышению температуры на 1 ° С) приближенно равна: под равнинами 33 м, под долинами 20...33 м, под горными хребтами 33...…70 (в среднем 45) м. Геотермический градиент представляет собой удельное изменение температуры с увеличением глубины. Величины геотермических ступеней и градиентов для некоторых районов России представлены в табл. 1.8.
Таблица 1.8
Значения геотермической ступени и геотермического градиента для территорий России
Территория |
Геотермическая ступень, |
Геотермический |
|
м / °С |
градиент, °С / 100 |
|
|
|
Kарелия |
100,0 (среднее) |
1,00 (среднее) |
Пермская область |
90,0 |
1,11 |
Москва |
59,0 |
1,69 |
Якутск |
26,0 |
3,85 |
Санкт-Петербург |
19,6 |
5,10 |
Архангельск |
10,0 |
10,0 |
Kавказ |
1,5…20,0 |
66,67…5,0 |
Kамчатка |
3,1 |
32,5 |
Температуру грунта на заданной глубине можно определить
по эмпирической формуле |
|
|
|
|
|
th thо |
|
h h0 |
, |
(1.6) |
|
|
|||||
где th – температура грунта |
|
|
а |
|
|
на глубине h, ° С; |
thо – температура |
слоя постоянной температуры, в первом приближении численно равная среднегодовой для данной местности,° С; a – геотермическая ступень, м/° С; h0 — глубина слоя постоянной температуры, м.
28
Температура в подземной выработке tн может быть приближенно определена путем последовательного перехода от средней годовой температуры долины t0 к температуре воздуха, а затем к температуре почвы на высоте перевала H0 и, наконец, на заданной глубине H :
t0 |
|
H0 |
|
H |
, |
(1.7) |
|
|
|||||
|
200 |
45 |
|
|
где 200 – значение аэротермической ступени, соответствующей изменению температуры воздуха на 1 °С, м; — поправка на переход от температуры воздуха к температуре почвы, зависящая от высоты перевала над уровнем моря (при высоте над уровнем моря от 0 до 2,5 км изменяется от 0,8 до 3 °С).
Температура в подземных выработках более 27 °С считается высокой. В сухой выработке возможна работа при температуре до +50 °С, во влажной – при температуре не выше +40 °С при условии усиленной вентиляции, применения кислородных дыхательных аппаратов и ограничения продолжительности непрерывной работы. Для работы в таких условиях допускаются только специально подготовленные работники после медицинского освидетельствования. При температуре воздуха в выработках выше названных пределов ведение любых работ запрещается, за исключением работ по спасению людей или если место работы находится в непосредственной близости от выработки с нормальной температурой. Температура подземных вод в тоннельных выработках в большинстве случаев равна температуре окружающего массива (+3...…12 °С, но, как правило, +6...…9 °С) и по временам года изменяется несущественно. Но она может быть как пониженной (например, при оттаивании мерзлых массивов), так и повышенной (от термальных источников). Это надо учитывать как один из факторов возникновения экстремальной ситуации прорыва водогрунтовых масс в выработку.
Инженерно-геологические и гидрогеологические условия зон тектонических нарушений и карстов. Строительство тоннелей в зонах тектонических нарушений (разломах и размывах), карстов и при вскрытии крупных водонаполненных линз представляет [21] исключительную опасность для людей и сооружений в связи с возрастанием вероятности выбросов и обрушения грунта, прорыва водогрунтовых масс, затопления выработок. Разломы и размывы характеризуются сложением из крайне слабых, обычно обводненных грунтов (мелкозернистые пески, пылеватые супеси плывунного характера, пылеватые суглинки, продукты разру-
29
шенных скальных грунтов и др.). Большую опасность для подземных сооружений представляют обводненные карстовые полости, которые могут явиться причиной прорыва воды. Во избежание затопления тоннеля следует применять дренаж, тампонаж карстовых полостей; известны случаи изменения трассы тоннеля.
При проходке выработок изменяется режим поверхностных и подземных вод, что может повысить скорость растворения и вызвать разжижение грунтов, вынос заполнителя и увеличение объема карстовых полостей. Процесс карстообразования замедляется, если карстующиеся грунты прикрыты слабопроницаемыми глинистыми отложениями. Опасность нарушения устойчивости тоннельной выработки еще более возрастает при наличии трещиноватых зон в карстующихся грунтах. Активизация карстообразования способствует притоку подземных вод. Опасность внезапных прорывов воды, скопившейся в карстовых полостях, следует учитывать при расположении тоннеля в известняках, гипсоносных и засоленных грунтах. При применении водоотлива при проходке тоннелей, откачке воды из котлованов, а также искусственном водопонижении образуются депрессионные поверхности («воронки»), изменяющие гидрогеологический режим. Происходит увеличение градиента напора и скоростей фильтрации, что приводит к развитию суффозионных процессов с выносом заполнителя из карстовых пустот, возникает опасность потери устойчивости кровли карстовых полостей, ее внезапного обрушения и образования провалов, глубина и сечение которых могут достигать десятков метров. Протяженные тоннельные сооружения действуют как дамбы на пути грунтовых вод, повышая их уровень, создавая сосредоточенную фильтрацию вод над сооружением и под ним и активизируя развитие карста, что может привести к обрушению и прорыву воды в тоннель. При расположении тоннеля в полускальных грунтах следует систематически отслеживать и оценивать проявления горного давления, набухания, пучения, деформаций крепи и при необходимости предусматривать специальные виды крепи и технологии проходки. Всесторонний учет инженерногеологических, гидрогеологических, криогенных и других условий необходим при проходке выработок в многолетнемерзлых грунтовых массивах.
Таким образом, в процессе проходческих работ необходимо вести систематические наблюдения за соответствием фактических инженерно-геологических условий, характеризующих со-
30