III. ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ НА СКАЛНИЯ МАСИВ В ОБХВАТА НА ТУНЕЛА

• 
  Не характеризират проектната зона. Най-близките, до зоната ядкови проучвателни сондажи, за осигуряването на пробни тела са сондажи №№, С45 и С32. Прокарани са в скалите от непроменен гранодиорит, около входния портал на тунела, на разстояние, съответно 66, 93 и 137 м, което прави апроксимацията им, неприемлива. В останалата част от масива, по дължината на трасето проучвателни сондажи липсват, респективно няма данни за лабораторните свойства на скалите, необходими за характеризация на вместващия масив.
  
• 
  Лабораторните изпитвания са правени, съгласно действа­щите тогава стан­дарти, които не отговарят на стандартите и препоръките на ISRM [18] и ITA [83].
  

Освен получаването на пробни тела за лабораторните изследвани, данните от сондирането са използвани още за:

• 
  актуализация на разпределението на изграждащите типове скали в зоната;
  
• 
  идентификация на структурни особености и определяне на размерите и ориентацията на структурните нарушения (пукнатини, разломи) чрез програмата GeoCalculator;
  
• 
  актуализация и детайлизация на геоложкия разрез на проектната зона;
  
• 
  избор на представителни пробни тела за изготвяне на образци, предвидени за видовете лабораторни изпитвания в съответствие с методологията.
  

На фиг. 8 е показана една серия от подготвените за изследвания образци.

Лабораторните изследвания включват методи за определяне на следните параметри и характеристики:

• 
  обемна плътност  [MN/m³];
  
• 
  порестост P [%];
  
• 
  вода в порите W [%];
  
• 
  якост на едноосов натиск _c [MPa];
  
• 
  якост на опън (Бразилски тест) _t [MPa];
  
• 
  построяване на якостни паспорти по върхови натоварвания;
  
• 
  построяване на якостни парсопрти в обемно напрегнато състояние;
  
• 
  построяване на пълните деформационни диаграми на видовете скали;
  
• 
  определяне на модул на еластичност Е [GPa];
  
• 
  определяне на кохезията С [MPa] и ъгъла на вътрешно триене , при върхова якост и в обемно напрегнато състояние.
  

Таблица III.1

Лабораторни данни за ФМС на видовете скали, изграждащи зоната на тунела**

** В колоните за кохезията и ъгълът на вътрешно триене, индексите ЕН/ОН означават получените стойности от изпитванията на едноосов и обемен натиск.

Крайната цел на всяко якостно изследване е построя­ването на паспортите на якост за дадения вид скала, даващ връзката между тангенциалното и нормалните напрежения при разрушаване чрез критерия на Мор-Кулон. В описваните изслед­вания са построявани и двата вида паспорти – за едномерно и обемно напрегнато състояние, наричани по долу в текста паспорти по върхови якости и обобщен паспорт на якост.

Тук за икономия на място ще покажем само едно построение за непрекъснат гранодиорит от участък МI.

Фиг. 9. Съвместени паспорти на якост на скалите за видовете гранодиорити

Фиг. 10.  диаграми на образци от видовете скали, изграждащи вместващия тунела масив

Таблица III.2

Деформационни параметри по лабораторни данни

Фиг. 12. Част от ядките, получени от контролните сондажи:

а) непроменени (MI), б) променените (MIV) и в) напукани (MV) гранодиорити

За всяка представена литоложка единица, по сондажните данни, директно са определяни качеството на скалите по изважданата ядка (Rock Quality Designation, RQD), както и специфичните геомеханични характеристики на нарушенията, определящи тангенциалната им якост – профил, коефициентите на грапавост (JRC) и стенна якост JCS, контактните условия, наличие и вид на запълнение и водопропускливост на системите пукнатини [18]. Описаните характеристики са локални. За да се „окачестви“ геомеханично целия масив, от нас е извършено следното. Горните характеристики са приети за реперни и са базовите показатели за категоризиране на масива по цялата му дължина, чрез геомеханичните класификации RMR, Q, като е приложена зависимостта на Палстрьом [16].

В изследването са приложени независимо двете най-известни системи – RMR (Рейтинг на скалния масив) на Биенявски и Q системата на Бартон за качеството на масива, използвани в тунелостроенето. Отначало е направено едно общо окачествяване на целия масив по линията на трасето, а чрез получените стойности за RMR и Q са определени и оценени обхватите на изменчивост и чрез тях е извършено разделянето на масива – на непроменените, променените и напукани гранодиорити (МI, МII, МIV и участък МIII, като несвързана среда), след което и двете системи са приложени независимо, за всеки участък по отделно. Накрая чрез въведения от Хоек GSI метод е извършено окончателното геомеханично окачествяване на масива по участъци, показано на фиг. 13 и табл. III.3.


Фиг. 13. Класификационни диапазони на връзките RMR/GSI и параметрите на Н–В критерия за изграждащите литоложки единици

Таблица III.3

Полученият рейтинг на качеството на вместващия масив и лабораторните данни, и стойностите на геоложкия индекс за якост (GSI), са използвани за последващ анализ на задпредел­ното поведение на вместващия масив чрез определянето на еквивалентните якостно-деформационни характеристики и материалните константи m и S на критерия на Хоек-Браун. Известно е, че критерият на Хоек-Браун директно се използва при численото моделиране. Стойностите на GSI индекса на фиг. 13 са означени с кръгчета. За скалите изграждащи естествения масив GSI, общо се движи в границите 52–65, което означава, че геомехничното състояние и поведение на генетично еднотип­ните разновидности по отделните участъци ще се диференцират само по степен на нарушеност и/или вторични изменения. И в трите участъка МI, МIV и МII масивът е изграден от взаимно заключени блокове, формирани от 3 до 4 системи пукнатини. Участъкът образуван от насипа е с изключително нисък GSI (вж фиг. 13). Техногенният масив, въпреки дългогодишната си консолидация, се определя като лошо контактуващи натрошени блокове със закръглени повърхности и неустойчиво геомеха­нично състояние, поради ниската тангенциална якост срещу придвижвания.

Известно е, че моделът на Хоек-Браун е базиран на пове­дението на непрекъсната, нелинейна среда. Критерият на разрушаване при него е с координати ₁, ₃, но задпределното състояние може да бъде анализирано и чрез критерия на Мор-Кулон. Тази възможност, в описаните изследвания, е използвана чрез прилагането на софтуера на RocLab [109] за определянето на връзката между главните напрежения (₁, ₃) и танген­циалните и нормални (, ) напрежения.
На фиг. 14. са показани резултатите за участък МI.

Резултатите от всички структурни и лабораторни изследвания са обработени по методиката и софтуера на RocLab [109] за определянето на характеристиките на задпределното (Post failure) състояние на нарушения масив. Обработката е базирана на трите групи данни (лабораторните, класифи­кационните, определянето на GSI индекс), а оценката е въз основата на Н-В критерия за осигуряване входните на пара­метрите на състоянието, необходими за численото моделиране. Тези характеристики са показани в таблица III.4.

Таблица III.4.

Характеристики на масива, определени чрез RocLab [109]

Geomechanical properties	Unaltered granodiorite	Altered granodiorite	Fractured granodiorite
σ ucs [MPa] (average results from table 1)	120	40	49
H-B constant mi Hoek–Brown constant mi	10	10	10
GSI Geological Strength Index (from table 2)	632	575	592
H-B constant mb	2.668	2.153	2.312
H-B constant s	0.0166	0.0084	0.0105
Constant a	0.502	0.504	0.503
Modulus of elasticity E [MPa]	12000	1200	12000
Cohesion C [MPa]	7.434	2.232	2.829
Friction angle φ’	34°32’	32°57’	33°16
Rock mass tensile strength [MPa]	- 0.737	- 0.156	- 0.223
σucs M Rock mass maximum compressive strength [MPa]	15.219	3.610	4.954
Global strength σgs [MPa]	28.149	8.150	10.453
Deformation modulus Em [MPa]	7053	5427	5968

Въз основа на съвместното и независимо приложение на системите RMR и Q за определяне на геомеханичното състояние и окачествяването на частите от вместващия масив, изграден от представените типове гранодиорити, са дадени ,

емпиричните препоръки за прокарването, закрепването на тунела, систематизирани в таблица III.5.^

Таблица III.5

Всичките получени и описани до тук лабораторни и in situ геомеханични характеристики са използвани за структурирането на многомерната база данни, позволяваща обобщена и де­тайлна характеризация на скалите и масива, вместващ транс­портния тунел, за закрепването на последващия параметричен анализ, чрез численото моделиране.

Изследванията за характеризация на масива (базови за всяка следваща фаза) са изпълнявани при съблюдаване на следните условия:

• 
  спазване на стандартите на ISRM;
  
• 
  съотвтствие с добрите световни практики;
  
• 
  осигуряване на максимална комплексност, а именно:
  

1. 
   Извършени са комплексни лабораторни изпитвания на
   

2. 
   Изследвани са структурната нарушеност в обхвата на контролните сондажи, определени са характеристиките на пресечните от тях системи пукнатини (RQD, JSC, JRC). Приложен е метода на Палстрьом за характеризация на структурната нарушеност на целия масив в обхвата на тунела, като чрез този подход е извършена апроксимация на наличните данни от конвенционални изследвания на напукаността, сравнявана с директно определяните по данните от сондирането.
   
3. 
   Извършени са класификации на скалния масив по оста на тунела чрез геомеханичните системи RMR и Q. Оценена е изменчивостта на „качеството“ на вместващия масив, след което рейтингите за качество са реализирани по участъци и са използвани за формулиране на емпиричните препоръки (табл. III.5) относно начините на прокарването и закрепването на всеки от тях.
   
4. 
   В резултат от лабораторните и структурните изследвания е съставена многомерна база данни за комплексна коли­чествена характеризация на масива, осигуряваща планирания параметричен анализ и разчетите в инженерния проект на транспортен тунел Елаците.
   

Изследването на напрегнатото състояние на вместващия тунела масив в случая е извършено в следната методическа последователност: експертна, диагностична и експериментална.

1. Експертната оценка на генотипа на естественото поле на напреженията е базирана на анализ на алтернативите:

• 
  налични ли са, или не качествени признаци за проява на тектонски компоненти в конфигурацията на естественото поле;
  
• 
  ако такива компоненти са вероятни, какво е направлението им на действие в района на тунела.
  

3. Експерименталният подход е основан на приложението на специализирани инструментални методи за количествено определяне на магнитудите и ориентацията на компонентите на полетата на напрежения in situ.

Експертната оценка, базирана на наличната и допълни­телно събрана от нас информация, отразени на фиг. 15.1., предполага поява и проява на тектонски сили, респективно наличието на действащи и/или остатъчни тектонски натискови (хоризонтални и/или субхоризонтални) тектонски напрежения.

Фиг. 15. 1 – граници на регионалната зона на издигане; 2 – на­правление на регионалните разломни структури; 3 – линии на концентрация на епицентровете на сеизмичните огнища в региона

Предполагаемото разпределение на тектонските компо­ненти в региона, получено след анализа е субмеридиален хоризонтален натиск в напрежение СЗ/СИ, както е показано на фигурата.

Диагностиката на естественото поле на напрежение е извършена на два етапа – за цялото находище и за района на тунела по метода на реконструкция, чрез анализ на характеристиките (размерност, разпределение и кинематика) на тектонските нарушения.

Резултатите от тези анализи и ориентацията на макси­мална тектонска натискова компонента за находището е показана на фиг. 16.

Фиг. 16. Кръгова диаграма на азимутално разпределени на разломите в находището, - направление на максималния тектонски натиск; - диапазон на изменение на ориентацията на максималното тектонско напрежение в тектонската история на находището

На фигура 18 е показана реконструкцията на естественото поле за проблемния участък с ориентацията на минималното () и максималното () напрежения, с отчитане и на ориентацията на тунела, относно тектонските компоненти на естественото поле.


Фиг. 18. Окончателно разпределение на естествено поле на напрежения в района на транспортен тунел „Елаците“