В настоящее время наблюдения за изменением геомеханического состояния породного массива и деформациями объектов при строительстве подземных сооружений ведутся различными организациями по ведомственным инструкциям, предназначенным для решения иных, как правило, более узких задач. Эти инструкции содержат неодинаковые требования к точности измерений, различные методики проведения наблюдений и обработки их результатов. Такие различия делают практически невозможным сопоставление полученных данных, их обобщение и использование, что может привести к крупным авариям, особенно в условиях интенсивного строительства подземных сооружений в плотно застроенных районах города. Отсюда возникла необходимость составления единой инструкции, содержащей научно-обоснованные нормы, требования и методы, позволяющие оперативно оценивать изменение геомеханического состояния породного массива при строительстве подземных сооружений и на основании полученной информации своевременно принимать надежные профилактические и защитные меры. При составлении настоящей Инструкции были использованы методы, приборы и инструменты, нормы и требования, содержащиеся в существующих отраслевых документах, особенно в Инструкции по наблюдениям за сдвижением горных пород, земной поверхности и подрабатываемыми сооружениями на угольных и сланцевых месторождениях, согласованной с Госгортехнадзором СССР 05.03.87 и утвержденной Министерством угольной промышленности СССР 30.12.87 (М., Недра, 1989). Одновременно в настоящей Инструкции отражены особенности развития деформационных процессов при строительстве подземных сооружений и учтена специфика проведения наблюдений в этих условиях. Основным отличием настоящей Инструкции от существующих нормативных документов является то, что составлению проекта наблюдательной станции предшествует прогноз ожидаемых сдвижений и деформаций, на основании которого выбираются наиболее надежные для рассматриваемых условий методы наблюдений, оптимальное расположение реперов, рациональная частота наблюдений и другие параметры станции, при которых обеспечивается оперативное получение информации о развитии деформационных процессов, необходимой для своевременного принятия профилактических и защитных мер. Инструкция составлена Институтом проблем комплексного освоения недр Российской академии наук совместно с Научно-исследовательским, проектно-изыскательским и конструкторско-технологическим институтом оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова и Московским городским трестом геолого-геодезических и картографических работ при участии Управления развития Генплана г. Москвы и АО "Московский комитет по науке и технологиям".
1.1. Инструкция по наблюдениям за сдвижениями земной поверхности и расположенными на ней объектами при строительстве в Москве подземных сооружений составлена в соответствии с Законом Российской Федерации "О недрах" от 03.03.95 N 27-ФЗ (ст. 24) и регламентирует условия, порядок и методы проведения наблюдений за сдвижениями земной поверхности и расположенными на ней объектами при строительстве в Москве подземных сооружений, а также способы обработки результатов наблюдений и требования к их оформлению.
1.2. Инструкция предназначена для специалистов и работников предприятий, организаций, осуществляющих контроль за влиянием подземных сооружений на земную поверхность и расположенные на ней объекты.
1.3. Измерения сдвижений земной поверхности и расположенных на ней объектов должны проводиться по программе, отвечающей требованиям, приведенным в разд. 3 - 5 настоящей Инструкции, в целях:
определения абсолютных и относительных величин деформаций и сравнения их с расчетными и допустимыми значениями;
выявления причин возникновения и степени опасности деформаций для нормальной эксплуатации объектов;
принятия своевременных мер по борьбе с возникающими деформациями или устранению их последствий;
уточнения расчетных данных физико-механических характеристик грунтов;
уточнения методов расчета и установления допустимых и предельных величин деформаций для различных типов зданий, сооружений и коммуникаций;
установления эффективности принимаемых профилактических и защитных мер;
уточнения закономерностей процесса сдвижения горных пород и зависимостей его параметров от основных влияющих факторов.
Результаты измерений могут быть использованы также при решении спорных вопросов, связанных с определением причин деформирования объектов и степени влияния на них подземных сооружений.
рограмма проведения измерений составляется организацией (имеющей соответствующую лицензию), производящей измерения, на основе технического задания, выдаваемого проектно-изыскательской или научно-исследовательской организацией по согласованию с организациями, осуществляющими строительство или эксплуатацию сооружений и объектов. Составление программы проведения наблюдений за деформациями толщи горных пород и расположенными в ней объектами должно производиться с участием специалистов-геомехаников.
Необходимость в проведении наблюдений должна определяться проектно-изыскательской или научно-исследовательской организацией в зависимости от ожидаемых деформаций земной поверхности, характера и состояния объектов, расположенных в зоне влияния подземного сооружения. Наблюдения проводятся в обязательном порядке при строительстве подземных сооружений на глубинах более пяти метров и вблизи особо ответственных объектов с повышенным риском эксплуатации. В спорных ситуациях вопрос о проведении наблюдений и интерпретации их результатов решается органами исполнительной власти города и Госгортехнадзора России с учетом рекомендаций независимой экспертизы.
1.4. Наблюдения за сдвижениями земной поверхности, толщи пород и расположенными там объектами должны вестись с начала строительства подземных сооружений и в первые годы их эксплуатации до стабилизации деформаций.
1.5. Организация и проведение наблюдений должны осуществляться в несколько этапов. Вначале составляется прогноз ожидаемых сдвижений и оцениваются возможные последствия строительства подземных сооружений. Затем составляется проект наблюдательной станции, в котором излагаются цели и задачи измерений, намечается размещение стенных и грунтовых реперов, разрабатывается календарный план измерений, выбираются приборы и методы измерений в зависимости от прогноза ожидаемых сдвижений, экономической целесообразности и имеющихся в наличии материалов и инструментов. После этого производится вынос проекта наблюдательной станции в натуру. Непосредственные измерения и обработка их результатов должны выполняться в соответствии с проектом и с учетом характера и скорости развития деформационных процессов. При необходимости изменения частоты и методики измерений, расположения реперов и других элементов проекта подготавливается соответствующее обоснование. По результатам наблюдений составляются оперативные и итоговые отчеты, которые передаются заказчику.
1.5. Организация и проведение наблюдений должны осуществляться в несколько этапов. Вначале составляется прогноз ожидаемых сдвижений и оцениваются возможные последствия строительства подземных сооружений. Затем составляется проект наблюдательной станции, в котором излагаются цели и задачи измерений, намечается размещение стенных и грунтовых реперов, разрабатывается календарный план измерений, выбираются приборы и методы измерений в зависимости от прогноза ожидаемых сдвижений, экономической целесообразности и имеющихся в наличии материалов и инструментов. После этого производится вынос проекта наблюдательной станции в натуру. Непосредственные измерения и обработка их результатов должны выполняться в соответствии с проектом и с учетом характера и скорости развития деформационных процессов. При необходимости изменения частоты и методики измерений, расположения реперов и других элементов проекта подготавливается соответствующее обоснование. По результатам наблюдений составляются оперативные и итоговые отчеты, которые передаются заказчику.
ПОНЯТИЯ, ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД, ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И СООРУЖЕНИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В НАСТОЯЩЕЙ ИНСТРУКЦИИ
2.1. Абсолютная величина горизонтального сдвижения земной поверхности (на данный момент времени) - его полная величина, получаемая по отношению к исходным геодезическим знакам, установленным вне зоны влияния подземного сооружения.
2.2. Активизация сдвижения толщи пород и земной поверхности - изменение характера распределения и величин сдвижений и деформаций земной поверхности и грунтовой толщи при строительстве сооружения в зоне влияния ранее пройденных выработок по сравнению со сдвижениями и деформациями от одиночного сооружения, возводимого в ненарушенном горными работами породном массиве.
2.3. Вероятные сдвижения и деформации - величины сдвижений и деформаций, определяемые на основании недостаточно полной информации о горно-геологических условиях возведения подземного сооружения.
2.4. Вертикальные деформации земной поверхности (наклоны, кривизна) - деформации земной поверхности в вертикальной плоскости, вызванные неравномерностью вертикальных сдвижений.
2.5. Вертикальные перемещения основания фундамента - осадки, происходящие под влиянием горных работ, а также в результате уплотнения грунта под воздействием внешних нагрузок и в отдельных случаях собственной массы грунта; просадки, происходящие в результате уплотнения под воздействием как внешних нагрузок и собственной массы грунта, так и дополнительно с ними действующих факторов (замачивание просадочного грунта, оттаивание ледовых прослоек в замерзшем грунте и т.п.); набухания и усадки, связанные с изменением объема некоторых видов глинистых грунтов при изменении их влажности, температуры (морозное пучение) или воздействия химических веществ.
2.6. Главные сечения мульды сдвижения - вертикальные сечения мульды вдоль и поперек подземного сооружения, проходящие через точки с максимальными оседаниями земной поверхности.
2.7. Горизонтальные деформации растяжения или сжатия - деформации земной поверхности в горизонтальной плоскости, вызванные неравномерностью горизонтальных сдвижений.
2.9. Граничные углы - внешние относительно выработанного пространства углы, образованные на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границу выработки с границей зоны влияния горных работ на земной поверхности.
2.10. Граница зоны влияния подземного сооружения или граница мульды сдвижения - контур зоны на земной поверхности, определяемый по -3 граничным углам или по деформациям: наклона
2.11. Граница зоны опасного влияния подземных горных работ - контур зоны опасного сдвижения земной поверхности, определяемый по углам сдвижения или критическим деформациям.
2.12. График сдвижений и деформаций земной поверхности - линии, изображающие в определенном масштабе распределение величин сдвижений и деформаций земной поверхности на профильной линии.
2.13. Деформация горной выработки (котлована) - изменение ее формы и размеров под действием нагрузок.
2.14. Деформационная марка - геодезический знак, жестко укрепленный на конструкции здания или сооружения (фундаменте, колонне, стене), меняющий свое положение вследствие осадки, просадки, подъема, сдвига, крена или горизонтального перемещения фундамента.
2.15. Длина полумульды - расстояние в главном сечении на продольном или поперечном разрезе между границей мульды и точкой пересечения с земной поверхностью линии, проведенной под углом полных сдвижений (при полной подработке) или под углом максимального оседания (при неполной подработке). Участок плоского дна при расчете сдвижений и деформаций в длину полумульды не включается.
2.16. Допустимые деформации земной поверхности (основания сооружений) - деформации, могущие вызвать такие повреждения в сооружениях, при которых для дальнейшей эксплуатации их по прямому назначению достаточно проведения текущих наладочных и ремонтных работ.
2.17. Зона опасного влияния подземных горных работ - часть мульды сдвижения, на которой в результате влияния горных работ возникают деформации, опасные для зданий, сооружений и природных объектов.
2.18. Зона трещин и провалов на земной поверхности - часть мульды сдвижения, на которой в результате влияния горных работ возникают трещины и провалы.
2.19. Зона трещин и разломов горных пород - часть области сдвижения горных пород, подвергшаяся сдвижению в форме прогиба и сдвига с образованием трещин.
2.20. Зона обрушения горных пород - часть области сдвижения горных пород, подвергшаяся обрушению.
2.21. Зона прогиба - часть области сдвижения горных пород, подвергшаяся сдвижению в форме прогиба слоев без разрыва их сплошности.
2.22. Исходный репер - репер, заложенный в районе наблюдательной станции на участке, не подвергающемся сдвижению и служащий для передачи отметки на опорные реперы станции.
2.23. Коэффициент запаса устойчивости - отношение суммы удерживающих сил к сумме сдвигающих.
2.24. Коэффициент подработанности земной поверхности - отношение фактического размера выработанного пространства к минимальному размеру, при котором наступает полная подработка земной поверхности.
2.25. Крен фундамента - деформация в результате неравномерной осадки, просадки, подъема и т.п., характеризующая разность вертикальных перемещений точек, отнесенных к расстоянию между ними.
2.26. Кривизна мульды сдвижения (размерность 1/м) - отношение разности наклонов двух соседних интервалов мульды к полусумме длин этих интервалов. Различают кривизну мульды, определенную непосредственно по данным измерений и полученную по сглаженной кривой оседания. В точках мульды различают кривизну:
2.27. Критические деформации земной поверхности - величины деформаций земной поверхности, принятые для определения границ зоны опасного влияния подземных горных работ и углов сдвижения
2.28. Максимальные горизонтальные деформации - наибольшие сжатия и растяжения интервалов мульды при закончившемся процессе сдвижения.
.29. Максимальное горизонтальное сдвижение (мм) - наибольшая горизонтальная составляющая векторов сдвижения точек при закончившемся процессе сдвижения.
2.30. Максимальная кривизна мульды сдвижения (1/м) - наибольшая кривизна мульды при закончившемся процессе сдвижения.
2.31. Максимальное оседание (мм) - наибольшая вертикальная составляющая векторов сдвижения точек при закончившемся процессе сдвижения.
2.32. Максимальные наклоны мульды сдвижения - наибольшие наклоны интервалов мульды сдвижения при закончившемся процессе сдвижения.
2.33. Маяк - приспособление для наблюдения за развитием трещин: гипсовая или алебастровая плитка, прикрепляемая к обоим краям трещин на стене или потолке; две стеклянные или плексигласовые пластинки, имеющие риски для измерения величины раскрытия трещины и др.
2.34. Меры охраны объектов от вредного влияния горных разработок - мероприятия, направленные на уменьшение вредного влияния горных работ на здания, сооружения и природные объекты, в целях устранения причин нарушения нормальной эксплуатации объектов, могущих вызвать несчастные случаи.
2.35. Минимальный радиус кривизны (м) - радиус кривизны в точке сдвижения с максимальной кривизной.
2.36. Мульда сдвижения земной поверхности - участок земной поверхности, подвергшийся сдвижению под влиянием горных работ.
2.37. Наблюдательная станция - совокупность реперов, заложенных по определенной системе на земной поверхности, в сооружениях или в подземных выработках в целях проведения наблюдений за сдвижением земной поверхности, сооружений или горных пород в толще. Различают типовые (рядовые и долговременные) и специальные наблюдательные станции.
2.38. Наклоны интервалов в мульде сдвижения - отношение разности оседаний двух соседних точек мульды к расстоянию между ними.
2.39. Нарушение устойчивости горной выработки, котлована или сооружения - состояние, когда их деформации превосходят допустимые значения, при которых дальнейшая эксплуатация объектов затруднена и может представлять опасность для жизни людей.
2.40. Неполная серия наблюдений - комплекс измерений, в результате которых определяется положение всех или части реперов в одной из плоскостей: в горизонтальной или вертикальной, может включать или не включать определение положения трещин.
2.41. Опорный репер - репер профильной линии, заложенный на участке наблюдательной станции, не подвергающемся сдвижению, и служащий исходным для наблюдения на данной профильной линии.
2.42. Оседание земной поверхности эта (мм) - вертикальная составляющая вектора сдвижения точки в мульде сдвижения земной поверхности.
2.43. Область сдвижения горных пород - часть массива горных пород, подвергшаяся сдвижению под влиянием горных работ.
2.44. Общая продолжительность процесса сдвижения - период, в течение которого земная поверхность под влиянием горных работ находится в состоянии сдвижения. За начало процесса сдвижения точки земной поверхности принимается дата, на которую оседание точки достигает 15 мм. За окончание процесса сдвижения принимается дата, после которой суммарные оседания на протяжении 6 месяцев не превышают 10% максимальных, но не более 30 мм.
2.45. Обрушение пород - беспорядочное перемещение разрушенных пород с потерей естественной структуры в результате ведения горных работ.
2.46. Ожидаемые сдвижения и деформации - величины сдвижений и деформаций, определяемые в условиях, когда имеются календарные планы развития горных работ и известны необходимые для расчетов исходные данные.
2.47. Оползень - медленное смещение масс горных пород, слагающих откос (а иногда и его основание), происходящее в виде скользящего движения между сдвигающимися породами и неподвижным массивом. Обрушение - быстрое смещение породных масс или блоков и пачек пород, слагающих откос, сопровождающееся дроблением смещающейся части массива. Оплывина - перемещение в виде потока насыщенных водой до текучего состояния некоторых разновидностей песчано-глинистых пород нарушенной структуры (пылеватых песков и глин, лессовидных суглинков, лессов и т.п.), которые растекаются по площади под углом 4 - 6ё и менее. Осыпь - разрушение и смещение приповерхностной части крутых откосов. Оплывание - фильтрационные деформации, вызываемые переносом и переотложением грунтовых частиц подземными водами, вытекающими на откос в пределах участка их высачивания.
2.48. Относительное максимальное оседание q - отношение величины 0 максимального оседания земной поверхности к величине прогиба кровли подземного сооружения при полной подработке и закончившемся процессе сдвижения.
2.49. Относительное максимальное горизонтальное сдвижение альфа - 0 отношение максимального горизонтального сдвижения к максимальному оседанию при полной подработке и закончившемся процессе сдвижения.
2.50. Относительные перемещения основания сооружения - перемещения одних частей фундамента сооружения по отношению к другим.
2.51. Параметры сдвижения земной поверхности - величины, характеризующие процесс сдвижения земной поверхности, зависящие от горно-геологических условий строительства подземного сооружения.
2.52. Поверхность скольжения - траектория, по которой движутся оползающие породы и разделяющая в условиях предельного равновесия области движения и покоя. Верхнюю (близкую к вертикальной) часть поверхности скольжения, в которой действуют растягивающие напряжения, называют поверхностью отрыва.
2.53. Полная серия наблюдений - комплекс наблюдений на наблюдательной станции, включающий измерения по реперам в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также определение положения трещин относительно границ горных выработок. На профильных линиях, расположенных в главных сечениях мульды сдвижения, полная серия наблюдений состоит из нивелирования реперов, измерения расстояния между ними и определения положения трещин.
2.54. Период опасных деформаций земной поверхности - период интенсивных сдвижений земной поверхности, в течение которого проявляется опасное влияние горных работ на сооружения и природные объекты. К интенсивным сдвижениям относятся сдвижения со скоростью оседания более 30 мм в месяц.
2.55. Предельные деформации земной поверхности (основания сооружений) - деформации, превышение которых может вызвать аварийное состояние сооружений, повлечь угрозу опасности для жизни людей.
2.56. Приоткосная зона - часть массива горных пород, непосредственно примыкающая к откосу, в которой распределение напряжений зависит от угла откоса и где располагается поверхность скольжения.
2.57. Профильная линия наблюдательной станции - прямая или ломаная линия, вдоль которой расположены реперы наблюдательной станции.
2.58. Провал - участок земной поверхности, подвергшийся обрушению под влиянием подземных горных работ.
2.59. Радиус кривизны мульды сдвижения (м) - величина, обратная кривизне мульды сдвижения.
2.60. Расчетные сдвижения и деформации - величины сдвижений и деформаций, получаемые путем умножения ожидаемых или вероятных сдвижений и деформаций на коэффициенты перегрузки; применяются для разработки мер охраны зданий и сооружений.
Инструментальные наблюдения за сдвижением земной поверхности и расположенными на ней объектами при строительстве в Москве подземных сооружений производятся в целях получения оперативной информации об изменении геомеханического состояния породного массива, на основании которой можно своевременно принимать необходимые профилактические и защитные меры. Одновременно полученная информация используется для решения задач, приведенных в разделе 1.
Инструментальные наблюдения за сдвижением земной поверхности и сооружений следует проводить на наблюдательных станциях, состоящих из системы реперов, закладываемых в грунт и в конструкции сооружений, а за сдвижением толщи горных пород - по глубинным реперам, закладываемым в скважины. На застроенных территориях для исключения возможности повреждений подземных коммуникаций места закладки реперов должны согласовываться с органами исполнительной власти. Закладка реперов и начальные наблюдения на них должны проводиться до начала горных работ. Схема наблюдательной станции приведена в приложении 2 (не приводится).
Закладка наблюдательной станции и наблюдения на ней производятся по специальному проекту, состоящему из графической части и пояснительной записки. Графическая часть включает план наблюдательной станции в масштабе 1:500, 1:1000 или 1:2000 (в зависимости от размеров выработанного пространства и контролируемой территории), геологические разрезы по профильным линиям (в том же масштабе, что и план станции) и чертежи конструкции реперов. На план наносятся: рельеф земной поверхности, проектируемые и существующие подземные сооружения, выходы под наносы тектонических нарушений, местоположение плывунов и карстов, глинистых прослойков, расположение зданий, сооружений и подземных коммуникаций, профильные линии и все реперы, как грунтовые и глубинные, так и закладываемые в здания и сооружения.
При аварийных ситуациях в породном массиве может образовываться 15 зон, отличающихся по характеру и степени деформирования пород, а также по последствиям, которые возникают при попадании объектов в эти зоны. На рис. 1 приведена схема расположения указанных зон при неблагоприятном развитии деформационных процессов в массиве, вмещающем подземные горные выработки и сооружения.
В зоне 1, расположенной непосредственно над выработкой, породы наиболее деформированы и разделены на отдельные куски и мелкие блоки. Она носит название зоны обрушения.
Зона 2, прилегающая к зоне обрушения, характеризуется развитием в прогибающихся породах нормально секущих трещин и трещин расслоения, разбивающих массив на крупные блоки и образующих систему сквозных водо- и газопроводящих каналов с малым аэро- и гидродинамическим сопротивлением, практически не оказывающими влияния на прохождение по каналам растворов и газов. Эта зона является зоной сквозных трещин. В зоне 3 секущие трещины и трещины расслоения соединяются между собой по ломаным кривым и создают систему водо- и газопроводящих трещин со значительным аэро- и гидродинамическим сопротивлением, которое растет пропорционально удалению их от деформированной выработки. Она носит название зоны активных (фильтрующих) трещин. В зоне 4 деформации растяжения, вызванные изгибом пород, достигают критических значений только в отдельных, наиболее слабых слоях, и потому трещины здесь имеют прерывный характер. Поскольку в этой зоне сквозной водо- и газопроводящей системы трещин не образуется, она называется зоной локальных трещин. Зона 5, характеризующаяся прогибом пород без разрыва их сплошности, носит название зоны плавного прогиба. Зоны 6 и 7 находятся в области повышенного горного давления, при этом в зоне 6 преобладают упругие деформации, в зоне 7 - неупругие (необратимые).
Зона 6 обычно называется зоной опорного давления, а зона 7 - зоной предельно напряженного состояния. В ней породы проходят все стадии деформирования - от значительного всестороннего сжатия на границе с зоной упругих деформаций до сильного разрыхления вблизи от обнажения, при этом основные необратимые деформации происходят по природным системам трещин, что сопровождается подвижками по поверхностям структурных элементов.
Перечисленные шесть зон находятся в подработанной толще пород, под которой понимается толща пород, расположенная выше горизонтальной плоскости, проведенной через продольную ось выработки. Толща пород, расположенная ниже этой плоскости, называется надработанной. Зона 7 распространяется как на подработанную, так и на надработанную толщу, но в основном она проявляется в боках выработки. В надработанной толще имеется пять зон (зона обрушения отсутствует), при этом зоны 8, 9, 10, 11 и 12 по своим качественным характеристикам соответствуют зонам 2, 3, 4, 5 и 6 подработанной толщи, но все зоны, образующиеся в надработанной толще, расположены ближе (примерно втрое) к выработке, чем в подработанной.
В прилегающем к земной поверхности слое (или пачке слоев, деформирующихся как одно целое) в результате изгиба образуются зоны растяжения и зоны сжатия. Зона 13 характеризуется максимальным растяжением у земной поверхности и постепенным затуханием его в глубину слоя. Зона 14, наоборот, - максимальным растяжением на нижней границе слоя и постепенным затуханием растяжений по мере приближения их к земной поверхности. В зоне 15 происходит сжатие слоя, при этом характер затухания сжатия здесь аналогичен таковому при растяжении.
В особо неблагоприятных условиях на земной поверхности могут образоваться провалы, террасообразные ступени и трещины. Наиболее вероятно образование провалов, когда глубина расположения обрушенной выработки Н не превышает величины, определяемой из выражения