Преобладающие породы на маршруте туннельной группы — мрамор, песчаники и сланцы, разделенные разветвленной системой трещин и геологических нарушений. Основными геологическими трудностями при строительстве были внезапные выбросы пород и высокие притоки воды.

Леонид Кауфман

Подземные физические лаборатории: дизайн и строительство

Статья 3.
(продолжение, начало в № 6/2018 и сл.)

В двух предыдущих статьях, посвященных подземной архитектуре физических лабораторий, рассказывалось об их размещении в специально построенных полостях породного массива или в подземном пространстве отработавших шахт. Иногда такие лаборатории для экономии расходов на строительство и логистических затрат сооружаются в комплексе с промышленными объектами, что позволяет не только сэкономить средства на туннелях доступа, но также использовать при строительстве опытный проходческий персонал и налаженную систему организации работ.

Примером такого решения служит строительство двух лабораторий в Китае, связанных туннелями с гидроэнергетическим комплексом Цзиньпин (в английской транскрипции Jinping) в одноименном горном массиве на реке Ялунцзян (Yalong) провинции Сычуань (Sichuan) на востоке Китая (рис.1) Эта страна в последние десятилетия проводит интенсивное строительство гидростанций, что позволило ей получать от них 17% всей электроэнергии страны и эта цифра растет.

Комплекс Цзиньпин включает две электростанции Цзиньпин 1 и Цзиньпин 2, установленная мощность которых составляет 3600 и 4800 мегаватт соответственно. Эта мощность обеспечивается работой шести и восьми турбин-генераторов.

Взаимное расположение станций уникально, потому что они расположены на естественном изгибе реки, огибающем гору Цзиньпин на расстоянии 150 км, но создающем расстояние между ветвями изгиба всего 16 км (рис.2). Станция Цзиньпин 1 расположена в верхней части потока реки, станция Цзиньпин 2 — в нижней части, расстояние между которыми по вертикали составляет 310 м.

Гидростанция Цзиньпин работает по традиционной схеме. Вода реки, перехваченная высокой арочной плотиной высотой 305 м и длиной 568 м , построенной в верхнем течении, попадает к турбинам станции Цзиньпин 1. Строительство фундаментов плотины и ее опор, сооружение других прибрежных объектов вызвало в породных слоях нарушение баланса напряжений, что привело к развитию системы трещиноватости и уменьшило устойчивость берегов реки и горных склонов долины. Состояние склона пород на левом берегу потребовало их искусственного закрепления. После детальных исследований и построения цифровой модели состояния массива (рис.3) были проведены экскавационные работы на общую высоту примерно 530 м и максимальное углубление в берег по горизонтали на 130 м (на высоте 1730 м над уровнем моря). Максимальная ширина экскавации составляла 350 м.

Схема станции Цзиньпин 2 отличается тем, что вода к ней поступает не от собственной плотины, а из входного устройства, построенного севернее плотины Цзиньпин 1. Далее вода по четырем параллельным туннелям пересекает под землей гору и попадает к турбинам станции Цзиньпин 2 (рис.4).

Поток реки после входного устройства туннелей продолжает движение по своему руслу на север, а затем резко сворачивает на юг, огибая гору, и на расстоянии 150 км опускается на 310 м к станции Цзиньпин 2, у которой плотина намного меньше, чем у Цзиньпин 1. Она имеет высоту 37 м, длину 162 м, расположена в 7,5 км от Цзиньпин 1 вниз по течению реки и служит для направления воды во входное устройство туннелей (рис.5 — 7).

grouting tunnels-цементирующие туннели, drainage tunnels-дренажные туннели,
drainage system-дренажная система, arch dam-арочная плотина,
subsidiary dam-вспомогательная плотина, transformer room-трансформаторный зал,
surge chambers-буферные камеры, machine hall-машинный зал.

Четыре водоподающих параллельных туннеля (рис.8) длиной примерно по 16,7 км пройдены с уклоном 0,365% (0,21⁰), расстоянием между осями 60 м и с диаметрами 12,4-14,6 м. Толща пород над ними доходит до 1500-2000 м, максимум 2525 м. Рядом с этими туннелями расположены два транспортных туннеля диаметрами по 6 м и один дренажный туннель диаметром 7,2 м.Суммарная длина туннелей комплекса составляет 118 км (рис.9).

В состав комплекса Цзиньпин 1, кроме плотины и бетонного входного устройства из шести водоприемников диаметрами по 9,5 м, входят подземный машинный зал с размерами 277х29,2х68,8 м, трансформаторный зал с размерами 197,1х19,3х32,7 м, буферные камеры, одна из которых высотой 80,5 м, диаметрами 38-41 м, другая высотой 79,5 м, диаметрами 35-37 м и два сбросных туннеля с размерами 15х16,5 м. В комплекс Цзиньпин 2, кроме описанных выше туннелей, входят обводной туннель сечением 14х15 м длиной 604 м для приема при необходимости потока реки, машинный зал с размерами 352,4х28,3х68,7 м, трансформаторный зал с размерами 374,6х19,8х19,8 м и буферные емкости (рис.10).

Преобладающие породы на маршруте туннельной группы — мрамор, песчаники и сланцы, разделенные разветвленной системой трещин и геологических нарушений. Основными геологическими трудностями при строительстве были внезапные выбросы пород и высокие притоки воды. Из-за больших размеров машинных (рис.11) и трансформаторных залов, других полостей, сложных связей подземных структур проектировщики и строители столкнулись с большим разнообразием качества горных пород и уровнем напряжений, в которых те находились.

Проведение экскавации и появление обнаженных поверхностей и трещин в массиве, в нем происходит перераспределение напряжений. Несущая способность массива теряется и в сооружаемой полости происходят внезапные выбросы пород (рис.12).

В условиях строительства комплекса Цзиньпин встречались случаи, когда явления выбросов происходили в течение от 30 минут до 8 часов, максимальный участок туннеля, засыпанный выброшенными породами, достигал 5 метров, а глубина воронки выброса 3-5 метров. Большинство интенсивных выбросов пород происходило в пределах 10-30 м от работающего забоя. Некоторые выбросы происходили даже после того, как окружающие породы были закреплены набрызгбетоном в местах, где этой крепью не было достигнуто равновесие перераспределенных напряжений. Однако, в этих случаях интенсивность и частота выбросов существенно уменьшалась. Несмотря на такие меры, при проходке, например, транспортных туннелей произошло более 600 выбросов.

При проходке двух из четырех туннелей, подающих воду к станции Цзиньпин 2, и дренажного туннеля применялась туннельная буровая машина (рис.13), двух других подающих туннелей и двух транспортных — буровзрывные работы. Работа машины диаметром 12,4 м сопровождалась установкой кольцевой металлической крепи каждые 0,9 м и анкерной крепи длиной 1,5 м. Первые несколько месяцев работы машины происходили с поломками, внезапными выбросами породы и ее обрушениями.

Условия, встреченные при проходке туннелей, оказались гораздо хуже прогнозированных. Машина была усовершенствована, в частности в установщиках колец крепи и металлической сетки. Для предотвращения внезапных выбросов пород металлическую сетку и анкерные болты начали устанавливать сразу за режущей головкой машины. С отставанием от забоя производилось набрызгбетонирование. Для уменьшения опасности выбросов туннель проходился с опережающим врубом (пилотным забоем), который снижал напряжения в массиве.

Применение туннельных буровых машин было ограничено сложными геологическими условиями, и два туннеля, подающие воду к станции Цзиньпин 2, проходились с использованием буровзрывных работ (рис.14, 15). При обеих технологиях применялся мониторинг внезапных выбросов, осуществляемый микросейсмическим оборудованием.

Особой задачей строительства было обеспечение устойчивости вначале туннелей, а затем подземных полостей. Породы в туннеле по критерию стабильности были разделены на четыре класса. Для пород классов 1 и 2 (29,1% длины туннелей) — стабильных после экскавации, анкерные болты устанавливались при необходимости. Породы класса 2 покрывались слоем набрызгбетона. Для пород класса 3 (53,6% длины туннелей) применялась регулярная установка анкерных болтов длиной 4,5-6 м и набрызгбетон, усиленный стальным волокном. Толщина набрызгбетонного слоя на породах классов 2 и 3 составляла 40 см, что позволило улучшить гидрологические условия туннеля. Для пород класса 4 и 5 (17,3% длины туннелей) — на входах в туннели с обеих сторон, средней части туннелей отнесенной к классу 4, и в местах со средними и интенсивными выбросами, в качестве постоянной крепи применялся усиленный набрызгбетон толщиной до 70 см в дополнение к ранее установленной временной крепи.

Сложной проблемой было строительство близко расположенных друг к другу параллельных залов — машинного и трансформаторного. Было необходимо учесть их взаимное влияние, что было решено цифровыми моделями напряжений и деформаций породного массива (рис.16).

Соответственно принимались решения по конструкции крепи залов и очередности экскавации.

Подземные полости станции Цзиньпин, такие как машинный и трансформаторный залы, камеры буферной емкости, крепились следующим образом: сначала наносился слой набрызгбетона толщиной 5 см, затем навешивалась металлическая сетка толщиной 8 мм и с размером ячейки 20х20 см. Она покрывалась слоем набрызгбетона толщиной 15 см. В стенах устанавливались анкерные болты или зацементированные арматурные стержни диаметром 32 мм и длиной 6 или 9 м с расстоянием между ними 1-1,5 м (рис.17), а при необходимости — предварительно напряженные канатные анкера длиной 33 и 46 м с расстоянием между ними 3 м или 4,5 м. Закрепный породный массив упрочнялся нагнетанием цементного раствора.

Как уже говорилось, оптимизировалась также последовательность стадий экскавации полостей большого сечения (рис.18).

Притоки воды в туннели и полости в ходе строительства характеризовались высоким давлением, большим объемом и варьирующимися притоками. В некоторых замерных пунктах давление достигало 10 МПа, а приток — 7 м³/с (рис.19).

Притоки воды не только ставили под сомнение конструкцию крепи туннелей, но и послужили задержкой хода строительства. Потребовались особые усилия в дополнительной гидрологической разведке, блокировании точек инфильтрации воды, а также ее отвода к общему водоотливному комплексу. С этой целью в водоносные трещины бурились скважины, чтобы снять давление и после этого цементировать их, полностью подавляя приток воды (рис.20).

Для оценки состояния породного массива и выбора способов предотвращения просачивания воды в туннели и полости перед производством работ была составлена цифровая модель, основанная на методе «конечных элементов» когда породный массив разбивается на конечное количество элементов, описываемых подходящими уравнениями механики деформируемого твердого тела (рис.21).

Одновременно с комплексом Цзиньпинг, примыкая к одному из транспортных туннелей, строилась первая очередь физической лаборатории CJPL-1, в которой сейчас проводятся эксперименты CDEX (China Dark Matter) и Panda-X, изучающие загадочную темную материю (рис.22). Размеры главного зала лаборатории 42х6,5х7,5 м (рис.23).

В настоящее время закончены экскавационные работы второй очереди физической лаборатории CJPL-2, которая считается самой глубокой подземной лабораторией в мире. Она включает четыре больших экспериментальных зала с размерами каждого 130х14х14 м, туннели внутренних связуй, две заглубленных емкости — одна для жидкого азота глубиной и диаметром 18 м, другая — эллиптической формы 27х16 м и глубиной 14 м для воды (рис.24).

Экскавация осуществлялась буровзрывным способом. Стены полости закреплены многочисленными стальными болтами и в наиболее опасных местах покрыты набрызгбетоном. Поступающая вода отводится в общую дренажную систему. Поведение породных масс во время проходческих работ отслеживалась в реальном времени, измерялись деформации и трещиноватость породных масс, распределение напряжений, регистрировались микросейсмические явления, проводились трехмерное лазерное сканирование, фотограмметрия, мониторинг взрывных работ и т.д. Выявлялись геологические зоны, в которых деформационные характеристики и системы трещиноватости угрожали возможными выбросами или обрушениями пород. В зонах наибольших напряжений была отмечена микросейсмическая активность и в ходе работ выбросы происходили именно там, где это прогнозировали датчики (рис.25). В частности, раннее предупреждение 23 августа 2015 года о чрезвычайно сильном выбросе позволило своевременно эвакуировать персонал и оборудование (рис.26).

В соответствии с полученными результатами исследований экскавация лабораторных залов выполнялась в четыре стадии: в стадии I проходился пилотный туннель первого слоя по направлению от читателя вглубь массива, затем на стадии II в противоположном направлении расширялся пилотный туннель до проектного сечения зала, на стадии III снова по направлению от читателя проходился пилотный туннель второго слоя, и наконец, на стадии IV достигалось полное проектное сечение (рис.27).

В лаборатории планируются расширенные поиски темной материи, исследования механики горного массива и сейсмических явлений.

Следует, однако, с сожалением отметить, что радость дизайнеров и строителей после преодоления всех инженерных трудностей подземного строительства была омрачена, когда после заполнения котлована водохранилища станции Цзиньпин 1 с общей емкостью 7,76 млрд. м³ подтвердились опасения сейсмологов о влиянии нагрузки объема воды на рост числа землетрясений в прилегающем районе. Эти опасения были вызваны близостью к станциям (менее двух километров) крупного породного разлома Цзиньпиншань-Сяоцзинью.

Резервуар Цзиньпин начал заполняться 8 октября 2012 года (рис.28). Уровень воды в нем за три фазы заполнения до 15 октября 2013 года поднялся на 188 м. С этого времени обычный сейсмический фон района стал превышаться, особенно в местах разломов породного массива. До июня 2013 года число землетрясений составило 322 с магнитудой равной или превышающей 2М и только одно из них произошло с января по июнь 2013 года. Взрывной характер сейсмическая активность приобрела между 8 июля и 30 ноября 2013 года, когда произошло 294 землетрясения, с повторяющейся магнитудой равной или превышающей 3М. При этом 22 октября 2013 года магнитуда составила 4,1М.

На этом примере показано, что к выдающимся архитектурным решениям по созданию исполинских подземных полостей должно быть привлечено усиленное общественное внимание, в особенности, к тем из них, которые могут привести к вторичным геологическим катастрофам — оползням, обрушениям гор, грязевым лавинам и другим природным несчастьям.

Литература

China expands world’s deepest ‘dark matter’ lab. The Times of India, Aug. 2. 2014
https://timesofindia.indiatimes.com/home/science/China-expands-worlds-deepest-dark-matter-lab/articleshow/39490734.cms

J-P Cheng. The China Jinping Underground Laboratory and Its Early Science. 2 Jan.2018. https://arxiv.org/pdf/1801.00587.pdf#page=9

F. Dai. Stability Evaluation on Surrounding Rocks of Underground Powerhouse Based on Microseismic Monitoring. 17 March 2015. https://www.hindawi.com/journals/sv/2015/937181/

X-T. Feng. Construction of large underground structures in China. Rock Mechanics and Engineering Volume 5: Surface and Underground Projects. https://books.google.com/books?id=ZMItDwAAQBAJ&pg=PA19-IA228&lpg=PA19-IA228&…

J. Li. The Second-phase Development of the China Jinping Underground Laboratory. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1875389214006683

Q. Liu. Progress and Prospects of the Jinping Neutrino Experiment. University of Chinese Academy of Sciences. NNN17, University of Warwick. 26-28 October 2017.
https://indico.cern.ch/event/657167/contributions/2677929/attachments/1548283/2431303/.

W. Shiyong. Jinping hydropower project: main technical issues on engineering geology and rock mechanics. Springer-Verlag 2010. http://www.chincold.org.cn/chincold/rootfiles/2011/05/20/1304576729397814-1305874580933872.pdf

S. Shengwu. Measures for controlling large deformations of underground caverns under high in-situ stress condition – A case study of Jinping I hydropower station. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. Volume 8, Issue 5, October 201

J. Wang. Practices on rockburst prevention and control in headrace tunnels of Jinping II hydropower station. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. Volume 4, Issue 3, 25 September 2012. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674775515301876

Q. Yue. China Jinping Underground Laboratory and experiments inside. Tsinghua University Mar. 28, 2017. http://www.tir.tw/conf/cygnus2017/materials/Qian-Yue.pdf

Q. Yue. Status and Prospects of China JinPing Deep Underground Laboratory (CJPL) and China Dark Matter EXperiment (CDEX). Department of Engineering Physics TsingHua University May 13, 2010 irfu.cea.fr/Meetings/TeVPA/slides/19_07_pm_Yue.pdf

С. Zhang. Key technologies and risk management of deep tunnel construction at Jinping II hydropower station. Volume 8, Issue 4, August 2016. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674775516300142