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)
Возраст |
Название пород |
Длина пробуренного интервала, м |
Выход керна, м |
Общая длина сохранных кусков керна, м |
RQD, % |
Общее число трещин на интервал, шт |
Модуль трещиноватости Mj |
Степень трещиноватости* |
В зонах тектонических нарушений |
||||||||
K2an |
Флишевое переслаивание мергелей и песчаников |
2,2 |
2,0 |
0,5 |
22,5 |
38 |
19,0 |
Очень сильнотрещиноватые |
K2nt2 |
Флишевое переслаивание мергелей, песчаников, известняка и аргиллита |
4,5 |
4,5 |
0,6 |
13,3 |
20 |
4,4 |
Очень сильнотрещиноватые |
K2nt1 |
Флишевое переслаивание мергелей и песчаников |
26,5 |
26,1 |
3,1 |
11,6 |
385 |
14,8 |
Очень сильнотрещиноватые |
K2kr |
Флишевое переслаивание мергелей и песчаников |
9,0 |
9,0 |
1,3 |
14,1 |
157 |
17,4 |
Очень сильнотрещиноватые |
Флишевое переслаивание мергелей, песчаников и аргиллитов |
9,0 |
9,0 |
0,7 |
7,9 |
240 |
26,7 |
Очень сильнотрещиноватые |
|
Вне зон тектонических нарушений |
||||||||
K2an |
Флишевое переслаивание мергелей и песчаников |
72,0 |
72,0 |
60,9 |
84,7 |
375 |
5,2 |
Слаботрещиноватые |
K2nt2 |
Флишевое переслаивание мергелей, песчаников, известняка и аргиллита |
274,5 |
274,3 |
221,2 |
80,6 |
1243 |
4,5 |
Слаботрещиноватые |
K2nt1 |
177,0 |
177,0 |
137,8 |
77,9 |
1108 |
6,2 |
Слаботрещиноватые |
|
K2kr |
Флишевое переслаивание мергелей и песчаников |
149,0 |
149,0 |
119,2 |
80,0 |
921 |
6,2 |
Слаботрещиноватые |
Флишевое переслаивание мергелей, песчаников и аргиллитов |
63,0 |
63,0 |
48,0 |
76,2 |
517 |
8,2 |
Слаботрещиноватые |
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
Возраст |
Название пород |
Радиус депрессии rd, м |
Средняя глубина фильтрационного потока h, м |
Напор над линией тоннеля S, м |
Коэффициент Ф |
Водоприток на 100-й интервал, м3/сут |
||
В зонах тектонических нарушений |
||||||||
K2an |
Флишевое переслаивание мергелей и песчаников |
956,5 |
103,1 |
73,8 |
10,2 |
223,1 |
||
K2nt2 |
Флишевое переслаивание мергелей, песчаников, известняка и аргиллита |
975,4 |
100,1 |
75,8 |
10,3 |
219,9 |
||
K2nt1 |
Флишевое переслаивание мергелей и песчаников |
871,8 |
95,1 |
69,8 |
9,3 |
214,3 |
||
K2kr |
Флишевое переслаивание мергелей и песчаников |
1003,3 |
108,1 |
75,8 |
10,7 |
228,4 |
||
Флишевое переслаивание мергелей, песчаников и аргиллитов |
||||||||
Вне зон тектонических нарушений |
||||||||
K2an |
Флишевое переслаивание мергелей и песчаников |
786,5 |
114,1 |
71,8 |
8,7 |
187,5 |
||
K2nt2 |
Флишевое переслаивание мергелей, песчаников, известняка и аргиллита |
767,8 |
111,6 |
70,8 |
8,5 |
185,5 |
||
K2nt1 |
762,5 |
109,6 |
70,8 |
8,4 |
184,1 |
|||
K2kr |
Флишевое переслаивание мергелей и песчаников |
683,9 |
85,1 |
69,8 |
7,2 |
163,8 |
||
K2kr |
Флишевое переслаивание мергелей, песчаников и аргиллитов |
680,8 |
78,1 |
59,8 |
7,2 |
194,0 |
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
Возраст |
Название пород |
Коэффициент крепости f |
Коэффициенты |
Показатель S |
Категория устойчивости |
|||||||
КM |
КN |
КR |
КW |
Кt |
КA |
Кα |
||||||
В зонах тектонических нарушений |
||||||||||||
K2an |
Флишевое переслаивание мергелей и песчаников |
4 |
0,5 |
6,0 |
0,5 |
0,8 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
0,13 |
Неустойчивые |
|
K2nt2 |
Флишевое переслаивание мергелей, песчаников, известняка и аргиллита |
5,8 |
2,5 |
6,0 |
0,5 |
0,8 |
1,0 |
1,0 |
1,5 |
0,64 |
Неустойчивые |
|
K2nt1 |
Флишевое переслаивание мергелей и песчаников |
5,4 |
0,5 |
6,0 |
0,5 |
0,8 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
0,18 |
Неустойчивые |
|
K2kr |
Флишевое переслаивание мергелей и песчаников |
3,0 |
0,5 |
6,0 |
0,5 |
0,8 |
1,0 |
1,0 |
1,5 |
0,07 |
Неустойчивые |
|
Флишевое переслаивание мергелей, песчаников и аргиллитов |
3,0 |
0,5 |
6,0 |
0,5 |
0,8 |
1,0 |
1,0 |
2,0 |
0,05 |
Неустойчивые |
||
Вне зон тектонических нарушений |
||||||||||||
K2an |
Флишевое переслаивание мергелей и песчаников |
4,0 |
4,5 |
6,0 |
0,5 |
0,8 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,2 |
Средней устойчивости |
|
K2nt2 |
Флишевое переслаивание мергелей, песчаников, известняка и аргиллита |
5,8 |
4,5 |
6,0 |
0,5 |
0,8 |
1,0 |
1,0 |
1,5 |
1,2 |
Средней устойчивости |
|
K2nt1 |
5,4 |
3,0 |
6,0 |
0,5 |
0,8 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
Средней устойчивости |
||
K2kr |
Флишевое переслаивание мергелей и песчаников |
3,0 |
3,0 |
6,0 |
0,5 |
0,8 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
0,6 |
Неустойчивые |
|
K2kr |
Флишевое переслаивание мергелей, песчаников и аргиллитов |
3,0 |
2,5 |
6,0 |
0,5 |
0,8 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
0,5 |
Неустойчивые |
|
Таблица 4
Основные критерии инженерно-геологического зонирования в пределах выбранного фрагмента трассы
Номер и название инженерно- геологической зоны |
Основные критерии* |
|||
Наличие тектонических нарушений |
Степень трещиноватости пород |
Величина водопритока, м3/сут |
Категория устойчивости пород |
|
I – Благоприятная |
Нет |
Слаботрещиноватые |
Менее 190 |
Средней устойчивости |
II – Неблагоприятная |
Нет |
Слаботрещиноватые |
190–200 |
Неустойчивые |
III – Весьма неблагоприятная |
Да |
Очень сильнотрещиноватые |
Более 200 |
Неустойчивые |
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.
Библиографическая ссылка
Ланге И.Ю., Лебедева Я.А., Котюков П.В. АНАЛИЗ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОХОДКИ МАГИСТРАЛЬНОГО НЕФТЕТРУБОПРОВОДА В СЛОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ НА ТЕРРИТОРИИ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ // Успехи современного естествознания. – 2022. – № 9. – С. 79-86;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37896 (дата обращения: 17.08.2024).