Байкальский тоннель — обоснование проектирования

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.

Тоннелей всего — 11, в т.ч. Байкальский — 6725 м. Мысовые на озере Байкал: 1 — 387 м., 2 -1832 м., 3 — 850 м., 4 — 1235 м., Северомуйский — 15 337 м., Кодарский — 2040 м., Нагорный — 1240 м., Дуссе — Алиньский — 1807 м. (восстановлен).

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 17-20⁰ 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:

1. Изучалось геологическое строение, условия образования, петрография района, дана инженерно-геологическая оценка состава и строения гранитоидов Ирельского комплекса в Даванской зоне смятия.
2. Изучалось состояние горного массива (в том числе и геодинамическое), то есть выявлялась тектоническая нарушенность горных пород, активность и направленность тектонических движений, дизъюнктивная нарушенность тектонических зон.
3. Оценивались инженерно-геологические условия проходки тоннеля с выделением участков с наиболее сложными условиями  проходки.
4. Результатом комплексных работ явились структурно-тектонические карты, и инженерно-геологические разрезы, с выделением на них обводненных зон повышенной трещиноватости, выделены разрывные нарушения и участки возможного распространения  опасных геологических процессов.
5. Таким образом, по результатам  научно-исследовательских и инженерно-геологических работ,и на основании  обработки всей имеющейся геологической информации,были даны инженерно-геологические условия строительства нового Байкальского тоннеля.
6. В настоящее время, суммируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы: разработанные методы отдельных видов работ, материалы и объемы выполненных геологосъемочных, горнопроходческих и геофизических работ, позволили принять принципиальные проектные решения, которые значительно снизили риски строительства тоннеля в сложных горно-геологических условиях.

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.

ленметрогипротранс, проектирование, тоннели, транспортная инфраструктура