Байкальский тоннель – обоснование проектирования
А.И.Арнаутов, канд. геол.-мин. наук, доцент, начальник геологического отдела,
С.Я.Нагорный, Заслуженный геолог России, главный технолог-геолог,
В.Г. Штыров, канд. геол.-мин. наук, главный специалист геологического отдела, ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс»
Байкало-Амурская магистраль – одна из крупнейших железнодорожных магистралей в мире (наряду с Готардским тоннелем в Швейцарии) – пролегает по территории Иркутской, Читинской, Амурской областей, Республик Бурятия и Саха (Якутия), Хабаровскому краю. Наряду с Транссибирской магистралью БАМ служит вторым сквозным выходом России к Тихому океану.
Содержание статьи
Байкало-амурская магистраль
технические характеристики, история строительства
Модернизация БАМа
Зачем нужен новый Байкальский тоннель?
Инженерно-геологические изыскания
Условия строительства, выбор технологии
Основные выводы
Основные научные и практические результаты выполненных инженерно-геологических работ
Байкало-амурская магистраль
Являясь самым коротким железнодорожным путем к портам Тихого океана, в Южную Якутию и другие регионы страны, БАМ сокращает расстояние перевозки пассажиров и грузов до Приморья, Владивостока и Находки более чем на 200 км, до Ванино – почти на 500 км, Якутии – на 600 км. А для пассажиров и грузов, которые следуют на Сахалин, Камчатку и в Магадан, – на 1000 км.
Трасса дороги пересекает полноводные реки такие, как Лена, Верхняя Ангара, Витим, Зея, Бурея, Амур, семь горных хребтов: Байкальский, Северо-Муйский, Становой, Туранский, Кодарский, Дуссе-Алиньский и Тукурингрский, более 1000 километров пути проложено в районах вечной мерзлоты, высокой сейсмичности.
Карта БАМ. Источник: old.sakha.gov.ru
Техническая характеристика БАМа (сданного в постоянную эксплуатацию МПС СССР)
Эксплуатационная длина – 3509 км., протяженность прямых – 1899,8 км., протяженность кривых 1617,5 км., количество ИССО – 3802 км., в т.ч. труб – 1525 шт., малых мостов – 1162 шт., средних мостов – 940 шт., больших мостов – 195 шт., в т.ч. ч\р Лена – 419 м., ч\р Верхняя Ангара – 513 м., ч\ р Витим – 556,8 м., ч\р Селемджа – 706,4 м., ч\р Бурея – 957 м. всего мостов – 2297, общая длина мостов – 96,1 км.
На Северомуйском обходе, который был построен в качестве временного (на период строительства Северомуйского тоннеля) обходного пути через Северомуйский хребет, построено два петлевых тоннеля №1 длиной 2139 м., №2 – 752 м. Общая длина тоннелей составила 34344 м. Станций – 66, разъездов – 144, постов – 7, путепроводов – 11.
Построено четыре основных локомотивных депо в Нижнеангарске, Тынде, Зейске и Ургале, свыше 60 городов и поселков.
Пропускная способность БАМа, строившегося с большими перерывами с 1938 года, а в активной фазе с 1974 по 1984 год, в настоящее время составляет около 16 млн. тонн. Но из-за инфраструктурных ограничений наблюдается острый дефицит провозной и пропускной мощности, и поэтому с растущими объёмами перевозок в зоне Восточного полигона, БАМ в нынешнем состоянии уже не справляется.
БАМ. Локомотив. Источник: zagopod.com
Модернизация БАМа
В 2013 году ОАО «РЖД» приступило к реализации проекта модернизации железнодорожной инфраструктуры Восточного полигона с развитием пропускных и провозных способностей. В рамках программы модернизации БАМа (строительство вторых главных путей) в 2013 году «Ленметрогипротранс» приступил к проектно-изыскательским работам по новому Байкальскому тоннелю второго пути. Главное для нового тоннеля – повысить эксплуатационную надёжность и пропускную способность железнодорожного участка на перегоне Дельбичинда – Дабан Восточно-Сибирской железной дороги.
Тоннели относятся к категории уникальных сооружений. Это технически сложный и дорогостоящий элемент строительной отрасли экономики страны. В этой связи в современных условиях придается исключительно большое значение использованию в подземном строительстве наиболее совершенных, научно обоснованных и экономичных технических решений в сфере конструкций, технологий производства работ, комплексной механизации и автоматизации строительства.
Инженерно-геологические изыскания для проектирования и строительства особо опасных и технически сложных сооружений, к которым относятся тоннели, требуют, как правило,нестандартного ииндивидуального подхода, который должен учитывать, как собенности самого тоннеля,так и перечень и сложность вопросов,на которые необходимо ответить по результатам изыскательских работ.
Бурение скважин станком горизонтального бурения ДИАМЕК – 262
Инженерно-геологические изыскания
Впервые при изысканиях, Ленметрогипротрансом, совместно с ТО-12 «Бамтоннельстрой» были использованы станки горизонтального бурения ДИАМЕК – 262. Скважины бурились из разведочно-дренажной штольни в сторону проектируемого тоннеля под углом 17-20 0 от оси штольни (см. рис. Бурение скважин станком горизонтального бурения ДИАМЕК – 262). Общее количество скважин составило 54 шт., общим метражом 6658 метров.
Полученный материал дал возможность значительно повысить детальность изученности геологического строения и гидрогеологических условий по трассе проектируемого тоннеля. Выполненный комплекс работ позволил получить положительное заключение ФАУ «Главное управление государственной экспертизы России».
Байкальский тоннель расположен на перегоне Дельбичинда-Дабан Восточно-Сибирской железной дороги на территории Иркутской области Казачинско-Ленского района (западный портал) и Республики Бурятия Северо-Байкальского района (восточный портал) в районе перевала Даван Байкальского хребта, вытянутого с севера на юг. Максимальная отметка перевала 994 м, а гольцовых вершин севернее и южнее его до 2000 м. Абсолютные отметки по оси тоннеля изменяются от 760 до 1110 м.
Бурятия. Перегон Гоуджекит – Дабан. Источник: trainpix.org
Максимальное превышение хребта над тоннелем до 400 м. Перевальное седло является ледниковой долиной, в центральной части довольно плоское, заболоченное, с отдельными озерами. Обрамляющие склоны довольно крутые, местами имеют ступенчатую форму, хорошо выраженную в рельефе. Хребет является главным водоразделом реки Лены и озера Байкал.
У западного склона хребта протекает река Дельбичинда с притоком Западный Даван (бассейн р. Лены), впадающая в р.Кунерму в 2,8 км от портала. У восточного – река Гоуджекит с притоком Восточный Даван. Истоки Восточного и Западного Давана расположены в центральной части перевального седла. Режим рек – горного типа, характеризуется стремительным течением, бурными перекатами и порогами, у ручьев с каскадными водопадами.
Байкал. Источник: warnet.ws
В районе развиты многочисленные геологические процессы и явления: глыбовые осыпи, горные обвалы, конусы выноса и снежные лавины. Большинство этих процессов приурочены к крутым склонам хребта перевала. Конусы выноса преимущественно стабилизированные. Климат резко континентальный, но благодаря близости озера Байкал гораздо более мягкий. Характеризуется преобладанием солнечной маловетреной погоды и низкой относительной влажностью воздуха.
Район отличается большой суммарной продолжительностью солнечного сияния, она доходит до 2524 часов, что является рекордным для России. Дней без солнца в году бывает только 37. Средняя температура зимой −20…-25°С, летом +20…+25°С. Зимой морозы редко могут опускаться до −52°С. Летом может устанавливаться жара до +32°С, но она смягчается свежим бризом с Байкала. Среднее атмосферное давление на уровне 720 мм.рт.ст.
Территория строительства нового Байкальского тоннеля, находится в неблагоприятной геоморфологической ситуации, сложных и очень сложных геологических условиях, характеризующихся высокой тектонодинамической активностью и связанными с ней сейсмичностью и экзогенными проявлениями. Рассматриваемый район относится к зоне регионального разлома или «Даванской зоне смятия», по которой сочленяется Прибайкальский краевой прогиб с Байкало-Витимским поднятием.
Строительство нового тоннеля с помощью проходческого щита SELI-LOVAT RME — 394 SE/GS. Источник: pimpon.ru
Даванская зона смятия протягивается от мыса Мужинай на озере Байкал в северо-восточном направлении через Даванский перевал до устья р. Абчада более чем на 200 км при ширине зоны от 8-10км до 20км. Она была выделена в 1960-1961г.г. М.П. Лобановым с соавторами. Позднее Бухаров (1973) называл этот глубинный разлом зоной Главного структурного шва, который в южной части разделяет Чуйский выступ фундамента от Олокитского прогиба, а северо-западное ответвление его (Даванский-Малоакитканский разломы) является границей Северо-Байкальского вулкано-плутонического пояса (СБВПП) и Чуйского поднятия. Неоднократные движения по этим сближенным разломам привели к формированию собственно зоны смятия – мощной и протяженной толщи гранитогнейсов, гнейсогранитов и бластокатаклазитов.
В пределах Даванской зоны гнейсы и мигматиты укучиктинской серии и породы гранитоидного состава интенсивно катаклазированы, милонитизированы, местами преобразованы последующим субщелочным метасоматозом мезопротерозойского возраста. Степень мигматизации пород возрастает по мере сближения разломов.
Мыс Мужинай, озеро Байкал. Источник: nature.baikal.ru
Кроме того, массив горных пород, вмещающий подземное сооружение, осложнен наличием горных пород со сложными условиями залегания и обладающих различными физико-механическими свойствами, обилием разрывных нарушений, зон повышенной трещиноватости и дробления пород, мощностью от 10,0 до 250,0 м., где отмечается различная по величине перемежаемость участков дробленых и участков разной степени трещиноватости пород. Дробленность пород часто до состояния дресвы и щебня. Эти зоны имеют сложный характер по литологическому и вещественному составу, а, следовательно, и по физико-механическим свойствам, слагающих ее образований.
В геологическом строении территории прохождения тоннеля принимают участие милонитизированные и интенсивно катаклазированные породы многофазного Ирельского комплекса гранитоидов среднего протерозоя, слагающие Кунермский массив, в пределах которого различают пять последовательных фаз его становления.
Каждая фаза внедрения характеризуется собственным типом горных пород: первая – гранодиоритами, вторая – граносиенитами, третья – ортоклазовыми гнейсами, четвертая – диорит-сиенитами, пятая – порфировидными гнейсогранитами. (Лобанов и др., 1964; Донская и др., 2003). Ирельский интрузивный комплекс впервые был выделен в Прибайкалье в 1956-58г.г. Л.И.Солопом.
Недостаточная изученность вследствие сложности и многообразия условий проявления магматизма в протерозойских структурах глубинных разломов вызывает необходимость углубленного геологического, петролого-геохимического и минералогического изучения данных образований. Возраст Ирельского интрузивного комплекса, как среднепротерозойский определяется взаимоотношением гранитоидов с эффузивно-терригенной толщей хибеленской свиты (Рt2) и толщей терригенных образований Байкальского комплекса (Рt3).
Как говорилось выше, территория строительства Байкальского тоннеля относится к обособленной структурно-тектонической региональной зоне глубинного разлома или «Даванской зоне смятия», мощностью около 6-7км., по которой сочленяется Прибайкальский краевой прогиб с Байкало-Витимским поднятием. Даванской зоне присущи следующие особенности: преобладание в разрезе магматических пород, широкое проявление тектонических дислокаций и разнообразный геохимический состав.
Монтаж ТПМК для строительства нового Байкальского тоннеля. Источник: skmost.ru
Тектонические дислокации выражаются в смятии пород в наклонные складки, с падением крыльев под углом 25-35° и проявлением гнейсовидности. Интенсивное поднятие и связанная с ним активизация глубинных разломов, окаймляющих Прибайкальский краевой прогиб, создали благоприятную обстановку для интрузивной деятельности. Произошло внедрение многофазного плутонического интрузива (Ирельский комплекс). Оно происходило в сложной тектонической обстановке, что отразилось в различной структуре этих пород, различной морфологии их тел и пространственном распределении последних.
Внедрение и формирование массива первой фазы (гранодиориты) происходило в более или менее спокойной обстановке медленного поднятия, которая нарушилась общей активизацией тектонических движений. Последние наиболее интенсивно проявились в зонах региональных разломов, особенно в Даванской зоне. В результате этих движений возникли разломы северо-западного простирания, являющиеся оперяющими Даванской зоны смятия.
Заложение разломов сопровождалось блоковым движением по ним. Последние выразились в огнейсовании пород первой фазы вдоль разломов северо-западного простирания. Ориентировка гнейсовидности вблизи Даванской зоны полностью совпадает с ее простиранием (меридиональное). Вблизи же северо-западных разломов гнейсовидность имеет северо-западное направление. Падение гнейсовидности полностью совпадает с падением плоскостей смещения по этим нарушениям.
Строительство Байкальского тоннеля. Источник: pimpon.ru
Основные тектонические нарушения северо-западного простирания имеют целую гамму оперяющих трещин широтного, северо-западного и реже северо-восточного простирания. Таким образом, после внедрения и формирования крупного массива первой фазы активизировались разломы, окаймляющие прогиб с запада и востока и заложились разломы северо-западного простирания с системой оперяющих зон. Внедрение последующих интрузивных фаз Ирельского комплекса происходило уже в жесткий, консолидированный массив первой фазы и потому строго контролировалось зонами дизъюнктивных нарушений.
Пространственная приуроченность гранитоидов второй фазы тяготеет к Даванской, в пределах которой породы второй фазы образуют пластообразные тела, вытянутые согласно простиранию зоны, т.е. субмеридионально. Это позволяет сделать вывод о том, что Даванская зона активизировалась полностью во время внедрения пород второй фазы.
Монтаж тоннелепроходческого механизированного комплекса
Во время внедрения третьей фазы открылись разломы северо-западного простирания, но Даванская зона была в это время в какой-то мере залечена внедрившимися по ней гранитоидами второй фазы. Гранитоиды третьей фазы пространственно приурочены к разломам северо-западного простирания и западной зоне регионального разлома, по которой краевой прогиб сочленяется с платформенными сооружениями. Третья фаза образует небольшие по размерам, вытянутые согласно простиранию зон штокообразные тела.
После внедрения гранитов третьей фазы область тектонических подвижек сужается и их проявление фиксируется только в пределах Даванской зоны смятия. Направление тангенциальных сил приобретает широтный характер, что отчетливо подчеркивается развитием бластических структур с субмеридиальным направлением. Фиксируются проявления тектоники по интенсивной перекристаллизации и бластомилонитизации гранитоидов второй фазы Ирельского комплекса, а также по развитию в пределах зоны крупных инъекционных залежей порфировидных сиенито-диоритов четвертой фазы, явно приуроченных к ослабленной зоны.
Завершающим этапом среднепротерозойского тектоно-магматического цикла явились тектонические движения в Даванской зоне, выразившейся в изменении гранитоидов четвертой фазы в приконтактовых частях их тел. Эти изменения представлены разгнейсованием и милонитизацией сиенито-диоритов четвертой фазы. Характерно, что динамометаморфизм получил развитие только в периферической части тел, не затрагивая центральные. Эти тектонические движения сопровождались внедрением гранитов пятой фазы Ирельского комплекса, с которыми связано широкое развитие мигматизации, а также процессов инфильтрационного и диффузионного метасоматоза. Образуя довольно крупные, вытянутые в субмеридианальном направлении тела, гранитоиды пятой фазы каймами мигматитов.
Врезка нового Байкальского тоннеля. Западный портал.
Из большого количества тектонических нарушений Даванской зоны можно выделить наиболее характерные: надвиговые зоны, зоны интенсивного дробления и милонитизации пород, швы неотектонических движений. Надвиговые зоны распространены в западном предпортальном участке, где они имеют мощность 5-10 м.
Зоны интенсивного дробления и милонитизации пород связаны с Кунермским надвигом – крупнейшей дизъюктивной формой тектонической структуры района, ограничивающий с запада Даванскую зону смятия. Надвиг протягивается с юго-запада на северо-восток и проявляется в рельефе в виде уступа на западном склоне хребта. Породы в зоне надвига представлены милонитами и брекчиями. В районе тоннеля по Кунермскому надвигу проходит граница между первой и пятой фазами Ирельского комплекса.
Неотектонические движения Даванской зоны смятия проявились в блоковых смещениях и в подновлении подвижек по ранее существующим швам нарушений. Выделяются до шести неотектонических швов, хорошо выраженных в рельефе в виде уступов и фиксирующихся по керну разведочных скважин, а также геофизическими методами. Амплитуда перемещения по швам неотектонических разломов составляет первые десятки метров. Неотектонические движения имеют главенствующее значение в формировании современного рельефа, в виде поднятия хребта и опускания впадин. В настоящее время сейсмическая активность в регионе продолжается. Возобновление подвижек в новейшее время сопровождается образованием зон брекчированных пород.
БАМ. Источник: train-photo.ru
Основные выводы
Согласно результатам выполненного микросейсморайонирования на участке строительства следует ожидать сотрясений с преобладающими периодами от 0.1 до 0.6 с и интенсивностью до 8.5 баллов.На основании вышесказанного можно сделать следующие выводы: основные научные и практические результаты выполненных ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс» инженерно-геологических работ заключаются в следующем:
Строительство нового Байкальского тоннеля. Источник: pimpon.ru
В 2014 году началось строительство нового Байкальского тоннеля на перегоне Дельбичинда-Дабан Восточно-Сибирской железной дороги 1006 км – 1013 км участка Усть-Кут – Северобайкальск. Проходка однопутного тоннеля осуществляется параллельно существующему, тоннелепроходческим механизированным комплексом Lovat RM394DS диаметром резания 10,02 м, с монтажом сборной железобетонной обделки. Для проходки штолен, стартовой и приемной камер тоннеля используется буровзрывной способ, с применением буровых установок Sandvik DC 120, Axera Т11-215.
На конец октября 2016 года механизированным комплексом пройдено 2907 метров тоннеля. Дренажной штольни восточного портала пройдено 480 метров, дренажной штольни западного портала – 164 метра.