<г — по простиранию пластов, б— вкрест простиранию пластов; 1 — синклиналь, 2 — антиклиналь, 3 — участок с повышенным горным давлением, 4 — участок с относительно небольшим горным давлением
18 Э-343
ных складок более древние горные породы обычно раздроблены, поэтому высока вероятность вывалов породы, особенно при пересечении тоннелем замка антиклинальных складок.
Преодоление выработкой сбросов и сдвигов, совпадающих с простиранием пластов, сопряжено со значительными водоприто-ками и большим горным давлением. В зонах тектонических разломов, при наличии сильнотрещиноватых и неустойчивых грунтов, резко возрастают горное давление, приток подземных вод и газов, возможны вывалы и обрушения грунтов, разрушения временной крепи и обделки выработки.
Степень риска возрастает при строительстве на больших глубинах (порядка 1—2 км и более). Это связано с изменением прочностных и деформационных свойств грунтов и проявлением таких неблагоприятных физико-геологических явлений, как стреляние, горные удары, толчки, внезапные выбросы пород и газа, повышение температуры.
Стреляние и горные удары — результат проявления тектонических сил в виде внезапного хрупкого разрушения наиболее напряженной части массива, сопровождающегося обрушением грунта в выработку, сильным звуком и мощной воздушной волной. Для прогнозирования интенсивности и характера проявления горных ударов необходим постоянный инструментальный контроль напряженно-деформированного состояния массива.
Причинами аварийных ситуаций в строящихся выработках могут быть внезапные выбросы горных пород и газа, когда раздробленные и измельченные породы выбрасываются в забой вместе со значительным количеством метана, азота, углекислого газа и пр. Зафиксированы случаи неожиданного прорыва горячего пара под высоким давлением [Макаров, Меркин, 1991].
Повышенный риск аварий при строительстве и эксплуатации подземных сооружений возникает в сейсмически активных районах. Степень риска повышается при пересечении трассой тоннеля зон повышенной трещиноватости, участков резкого изменения рельефа местности, зон тектонических разломов и неустойчивых склонов. Хотя подземные сооружения в меньшей степени, чем наземные, подвержены воздействию землетрясений, возможны аварии, связанные с обрушением породы, затоплением выработки, разрушением крепи. Вызванные землетрясением обрушения отко-
сов, оползни и сдвиги в массиве приводят к значительным повреждениям и разрушениям порталов и припортальных участков.
Во многих случаях причиной аварии являются карстово-суф-фозионные явления. За счет размывания и химического растворения некоторых гидронестойких грунтов (известняков, гипсов, доломитов, мергелей) образуются воронки, пустоты и пещеры. Наличие невыявленных пустот в грунтовом массиве (открытых или заполненных продуктами растворения) представляет потенциальную опасность для строящихся и эксплуатируемых подземных объектов, так как нарушается устойчивость массива, возможно обрушение карстовых полостей, способных вызвать затопление и повреждение конструкции сооружения.
Наибольшая опасность для подземного объекта возникает при его размещении в массиве закарстованных водонасыщенных грунтов, особенно в случае расположения карстовых полостей непосредственно под подошвой выработки, а также если во время строительства нарушаются или уничтожаются слабопроницаемые глинистые отложения, покрывающие закарстованную толщу.
Нередко причиной аварий могут быть такие природные явления, как оползни, снежные лавины, сели, камнепады. При неудачном расположении участков выработок в пределах неустойчивых склонов, подверженных этим явлениям, участки подземного сооружения могут быть деформированы или разрушены.
Другой причиной аварий является неверная оценка гидрогеологических условий: глубины залегания, режима и физико-химических свойств подземных вод. Проходка в водоносных грунтах ниже УГВ приводит к нарушениям в установившемся режиме подземных вод, что вызывает увеличение скорости фильтрации и активизацию физико-механического действия воды. При строительстве в толще водосодержащих грунтов происходит приток подземных вод в выработку, что может вызвать затопление.
Грунтовые воды оказывают гидростатическое давление на конструкцию обделки, создают опасность всплытия сооружения, нарушают устойчивость массива за счет размягчения твердых и разжижения несвязных грунтов. Расположенное ниже УГВ подземное сооружение является преградой для подземных вод. Перед ним возникает подпор, а с противоположной стороны — понижение УГВ. Это увеличивает давление воды на обделку выработки, приводит к осадкам основания и повреждениям обделки.
Водоприток и гидростатическое давление возрастают с увеличением глубины заложения. При проходке на больших глубинах водоприток может быть весьма значительным даже в грунтах, имеющих небольшую водопроницаемость, а гидростатическое давление на глубине 1 км может достигать 8—10 МПа.
Понижение УГВ приводит к изменению напряжённо-деформированного состояния массива: возрастают напряжения в грунте в результате увеличения его собственного веса, появляются дополнительные осадки. Кроме того, в процессе откачки воды возможен суффозионный вынос мелких пылеватых частиц, что также сказывается на деформациях и уплотнении грунта. Подземные воды уменьшают связи между частицами мягких пород, создают дополнительные плоскости скольжения, образуют пустоты растворением и вымыванием гидронестойких пород, вызывают пучение глинистых грунтов. Все это способствует обрушению грунта в выработку.
Обрушения породы в эксплуатируемых подземных сооружениях приводят к разрушению обделки, внутренних конструкций и выходу из строя эксплуатационного оборудования. Для ликвидации последствий обрушения прекращается эксплуатация и проводятся ремонтно-восстановительные работы, а при многочисленных обрушениях — реконструкция всего объекта.
Разрушения конструкций подземных сооружений, обладающих недостаточной несущей способностью и жесткостью, могут происходить как вскоре после ввода в эксплуатацию, так и спустя много лет, прежде чем возникнет аварийная ситуация. Например, в июне 1967 года, через 1,5 года после ввода в эксплуатацию горного автодорожного тоннеля Сэки (Япония) длиной 1140 м, в его бетонной обделке появились трещины, которые быстро росли. Тоннель был заложен на глубине до 170 м от поверхности в толще сравнительно слабых скальных пород. Проведённые обследования показали, что деформации тоннеля вызваны просчётами при проектировании и непредвиденными изменениями горных пород.
Затопления чаще всего происходят при строительстве подземных сооружений закрытым способом в неустойчивых водона-
сыщенных грунтах либо ниже уровня грунтовых вод в условиях повышенного гидростатического давления.
Аварийные случаи прорывов воды или обводнённой горной массы (рыхлых водонасыщенных грунтов, обладающих плывунными свойствами) — это внезапное и усиленное их поступление в выработку, которое происходит в результате самопроизвольного либо принудительного разрушения водоупорных пород, перемычек, обваловки и коммуникаций. Прорывы приводят к частичному или полному затоплению выработки, выводу из строя горнопроходческого оборудования, травмам и гибели персонала.
Основные источники внезапных прорывов: поверхностные водоёмы (реки, озёра, водохранилища), поверхностные ливневые и паводковые воды, подземные водоносные горизонты. Прорывы воды из поверхностных водоёмов характеризуются огромными притоками по зонам тектонических нарушений. Прорывы ливневых и паводковых вод связаны с отсутствием ограждений на поверхности.
Прорывы воды в горные выработки подразделяют на прорывы, не содержащие механических примесей, и на загрязнённые воды со значительным содержанием илистых и песчано-глини-стых частиц. Наибольшую опасность представляют прорывы плывунов, происходящие на контакте плывуна с плотным грунтом или при недостаточной мощности плотных грунтов.
От количества вынесенного материала зависят последствия аварий в выработках: частичное затопление, заиливание либо полное их «запечатывание» на большой протяженности, «захоронение» механизмов и машин, образование пустот в горном массиве, провалов или мульд оседания на земной поверхности.
Наиболее характерные схемы прорывов показаны на рис. 6.5. Обыкновенно, в самом начале внезапного прорыва, притоки воды достаточно незначительны, затем, за короткий промежуток времени (от нескольких десятков минут до нескольких часов), быстро возрастают и достигают своего максимального значения, после чего медленно (в течение нескольких часов или суток) уменьшаются и, в некоторых случаях, прекращаются.
Прорывы незагрязнённой воды по величине притока подразделяются на следующие категории [Мостков, 1992]:
— небольшие — до 100 м 3 /ч;
— средние — 100 ^ 500 м 3 /ч;
— крупные - 500 -ь 1000 м 3 /ч;
— катастрофические — более 1000 м 3 /ч.
; — решение задачи длительной устойчивости сооружения и контроля за напряженно-деформированным состоянием вмещающего массива;
— определение влияния подземного объекта на окружающую ; его природную среду и инженерные сооружения, на весь период ‘■ «жизни» объекта (строительство, эксплуатация, реконструкция,
ликвидация).
Основной целью геомеханического обеспечения является:
— предотвращение аварийных ситуаций;
— повышение безопасности и эффективности строительных работ;
— обеспечение сохранности и нормальных эксплуатационных качеств зданий, сооружений и инженерных сетей, находящихся в зоне влияния подземного объекта.
Работы по геомеханическому обеспечению выполняются в следующей последовательности:
— оценка естественного напряжённо-деформированного состояния (НДС) вмещающего массива;
— прогнозирование изменений НДС в результате строительных работ;
— контроль за процессами, происходящими в массиве и на поверхности.
До начала ведения горнопроходческих работ геомеханическое состояние массива оценивается на основании данных инженерно-геологических и геоэкологических изысканий. Прогноз из-
менений состояния массива выполняется как для условий строительства и эксплуатации подземного сооружения, так и для вероятных аварийных ситуаций (разрушение крепи и обделки, прорывы в тоннель воды или плывунов, развитие карстов и т.п.).
При определении вероятности прорыва воды в тоннель необходимо оценить надёжность водоупора, отделяющего толщу пород, в которых проектируется выработка, от вышележащего водоносного горизонта, с учётом толщины водоупорного слоя, не нарушенного при проходке выработки. В зависимости от расположения подземного сооружения относительно этого слоя, он может деформироваться с образованием трещин (рис. 4.1): при изгибе слоя трещины зарождаются на участках выпуклости кривизны у верхней поверхности слоя и постепенно прорастают вниз; на участках вогнутости трещины зарождаются у нижней поверхности и прорастают вверх (рис. 4.1, а); если водоупорный слой находится в зоне влияния двух выработок, зоны растяжения от каждой выработки могут сливаться (рис. 4.1, б, в). Степень и характер нарушения водоупора необходимо учитывать при оценке его надёжности, выборе расстояния между выработками и технологии производства горнопроходческих работ [Трубецкой, Иофис, 1999].
Одной из наиболее важных задач геомеханического обеспечения является контроль и управление деформационными процессами, протекающими в массиве горных пород и на его поверхности. В процессе возведения подземного сооружения нарушается естественное равновесие массива горных пород, что может приводить к деформациям и подвижкам. При этом, непосредственно над выработкой, образуется зона обрушения (рис. 4.2), над которой породы, прогибаясь, теряют сплошность и в них появляются трещины. Ещё выше толща горных пород расслаивается и слои прогибаются без образования трещин. Расположенные над выработкой здания и сооружения могут претерпевать определённые деформации. Если они не приводят к разрушению зданий и сооружений, не препятствуют их эксплуатации по прямому назначению и не создают опасных условий для находящихся в них людей, то такие деформации называют допустимыми. Величины допустимых деформаций определяются специальным расчётом. Сущность расчёта базируется на зависимости зоны влияния подземного сооружения от глубины заложения: с увеличением глубины заложения растёт зона влияния, но уменьшаются деформации поверхности. Затем рассчитывают де-
Рис. 4.1. Формы деформирования водоупорного слоя при различных расположениях выработок: 1 и 2 — трещины в слое, развивающиеся от его верхней поверхности, 3 и 4 — трещины, развивающиеся от нижней поверхности слоя, 5 и 6 — выработки
формации сооружений, находящихся в зоне влияния выработки. Далее определяют величину оседания горных пород над кровлей тоннеля, при которых деформации земной поверхности не превысят допустимых значений. На основании полученных результатов выбирают способ ведения проходческих работ, виды крепи, типы применяемых машин и механизмов.
Подземные воды представляют собой наиболее динамичную компоненту геоэкологической среды, влияние которой особенно
Рис. 4.2. Области сдвижения горных пород: 1 — зона обрушения, 2 — зона трешинообразования, 3 — область прогиба, 4 — область сдвижений
сильно проявляется в условиях плотной застройки городских территорий. При разработке проектов строительства подземных и заглублённых сооружений необходимо проводить прогнозирование гидрогеологических условий осваиваемой территории на разные периоды времени:
краткосрочное прогнозирование — на период производства работ нулевого цикла;
среднесрочное прогнозирование — на период выполнения основных зтроительно-монтажных работ и ввода объекта в эксплуатацию;
долгосрочное — на период эксплуатации объекта.
Срок прогноза во многом определяет его точность: чем больше срок, тем меньше точность прогноза. Поэтому составленные прогнозы необходимо корректировать на основании гидрогеологического мониторинга, формирования и использования информационного банка данных.
Недостаточно полное изучение и учёт инженерно-геологических и гидрогеологических условий района строительства может привести к катастрофическим последствиям, как, например, это произошло в 1998 году при строительстве тоннеля диаметром 4 м, идущего под улицей Большая Дмитровка от Охотного ряда до Страстного бульвара в Москве. Тоннель длиной 740 м сооружался щитовым способом в условиях плотной городской исторической застройки на глубине 20—30 м. При внезапной встрече с водоносными песками, проникшими в тоннель, на поверхности произошло образование воронки диаметром около 30 м и объёмом около 500 м 3 .
В 1995 году произошло разрушение и затопление центральной части перегонного тоннеля метрополитена в Санкт-Петербурге, пересекающего палеодолину в районе станции «Площадь Мужества». В качестве причин специалисты рассматривают совместное действие несовершенства конструкции тоннеля,, построенного в 1971—1975 годах, и проявления ряда инженерно-геологических и гидрогеологических факторов, проигнорированных при проектировании.
2. Во время строительства — экологическая оценка: технологии производства работ, ликвидации строительной площадки, общего благоустройства территории. Например, при возведении горного тоннеля Адлер в Швейцарии вынутую породу использовали для засыпки отработанного гравийного карьера в зоне северного портала тоннеля. Гумусовые почвы, разработанные на участке открытых работ, использовали для рекультивации территории, нарушенной при строительстве, что позволило восстановить первоначальный ландшафт и провести на отдельных участках дополнительные лесопосадки [Дайджест зарубежной информации, 1996].
Наиболее существенное вмешательство в экологию подземного пространства происходит на этапе строительства подземного сооружения, т.к. последствия техногенного вмешательства в существующую экосистему носят необратимый характер. При ведении подземных работ в городских условиях, кроме этого, необходимо обращать внимание на сохранность зданий и сооружений и на изменение гидрогеологического режима подземных вод.
С точки зрения экологичности все технологии производства подземных работ можно подразделить на:
технологии, неучитывающие экологические требования;
технологии, учитывающие экологические требования в неявном виде;
технологии, в которых экологичность вторична по отношению к экономичности;
технологии, направленные на минимизацию негативного влияния на природную среду.
Многие годы при строительстве подземных сооружений использовались технологии 1-го и, частично, 2-го типов. Никак не учитывалось изменение сплошности скального массива при проведении буровзрывных работ, влияние цементационных завес и
дренажей на гидравлический режим подземных вод, возможность полного осушения водоносных горизонтов и многое другое. Влияние возводимого подземного сооружения на экологию подземного пространства учитывалось лишь в том случае, если изменение инженерно-геологических и гидрогеологических условий вмещающего массива могло сказаться на надёжности и безопасности самого сооружения.
В последние годы, как за рубежом, так и в нашей стране, приоритет отдаётся технологиям 3-го и 4-го типов. Согласно МГСН 1.01-98 «…при разработке проектной документации должна обеспечиваться приоритетность вопросов охраны окружающей среды, рационального природопользования, защиты здоровья и формирования экологически безопасной среды обитания». При выборе способа производства работ всё чаще предпочтение отдаётся наиболее экологичным способам строительства. К ним можно отнести:
1. строительство стволов бурением;
2. способы бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций;
3. способ «стена в грунте»;
4. новоавстрийский тоннельный метод (НАТМ);
5. опережающий экран;
6. щитовой и механизированный способы проходки, в том числе с пригрузом забоя.
Применение специальных методов строительства в сложных инженерно-геологических условиях, в частности, пеногрунтово-го пригруза забоя при щитовой проходке перегонного тоннеля метрополитена, расположенного в аллювиальных породах в г. Валенсия (Испания), позволило выдержать средние значения допустимых просадок земной поверхности в пределах 3 мм. Использование мылообразной пены, помимо снижения проницаемости и повышения устойчивости грунтового массива, повышает вязкость вынимаемой породы. При этом улучшаются её технологические свойства, снижается абразивность песчаных и гравийных фракций, повышаются эксплуатационные характеристики проходческого комплекса в целом.
Экологически безопасные технологии строительства и эксплуатации подземных объектов позволяют достичь нового уровня освоения подземного пространства за счёт:
— более широкого использования подземного пространства, как среды обитания человека;
— расширения областей применения щитовой и механизированной проходки и НАТМ;
— творческого использования подземного пространства, строительства подземных сооружений нового поколения и развития подземных инфраструктур с учётом требований экологии;
— применения современных подходов к проектированию подземных сооружений, базирующихся на таких дисциплинах, как подземная архитектура, строительная геотехнология, геоника* и пр.
Ещё одним важным аспектом подземной экологии является защита подземных выработок и помещений от повышенных концентраций радона**. Радон повсеместно поступает в атмосферу из толщи земли, однако его концентрации в атмосферном воздухе весьма незначительны. В закрытых подземных помещениях эти концентрации, достигнув определённых величин, могут нанести ущерб здоровью людей.
Наиболее эффективным способом снижения концентрации радона является правильно подобранная и направленная вентиляция. При этом не рекомендуется организовывать циркуляцию по помещению одного и того же воздуха. Количество радона, поступающего из подземных вод, снижают путем тщательно организованной и выполненной гидроизоляции и дренажа.
* Геоникой называется новое научное направление в изучении подземного пространства, базирующееся на достижениях строительной геотехнологии и теории проектирования и освоения недр.
** Радон — инертный радиоактивный газ, не имеющий запаха, вкуса и цвета. Он выделяется из радия — одного из продуктов распада урана, трудно образует соединения с другими веществами, но при этом сам разлагается на изотопы полония, свинца и висмута, называемые недолговечными продуктами распада радона. Изотопы радона и полония являются а-активными, свинца и висмута — (J- и у-активными и представляют собой взвешенные частицы и свободные ионы, проникающие в организм человека через дыхательные пути.
Небольшое количество урана и радия присутствует, практически, в любом грунте или скальной породе. Часть газообразного радона, образующегося при распаде радия, высвобождается и перемещается по порам и трещинам. В воздух зоны проходческих работ радон может попадать из подземных вод или со стен выработки.
В последние десятилетия при строительстве подземных сооружений как в нашей стране, так и за рубежом, всё большее внимание уделяется информационному обеспечению строительства. Причинами протестов местного населения против строительства являются: шумы, производимые буровым, вентиляторным и компрессорным оборудованием и возникающие при работе строительных машин, механизмов и при проведении буровзрывных работ; пыль, поднимаемая при строительно-монтажных работах, а также некоторые социальные и субъективные факторы. С этими проблемами сталкиваются как отечественные, так и зарубежные тоннелестроители, что приводит к необходимости проведения разъяснительных бесед с местными жителями и широкого распространения информации о строительстве. При строительстве тоннеля Бирменсдорф вблизи Цюриха (Швейцария) протяжённостью 5,4 км нормальное ведение работ стало возможным только после подробных разъяснений и детального информирования местного населения о выполняемых работах [Datteln, 1998]. В США при проектировании и строительстве подземных сооружений в обязательном порядке учитываются влияние на окружающую среду и мнение населения, живущего в районе строительства [Brierley, Smith, 1998]. Финскими строительными нормами рекомендуется заблаговременно уведомлять жителей домов, расположенных в радиусе не менее 100 м от места ведения подземных работ. В уведомлении должны указываться: назначение строительной площадки, фирма-строитель, подрядчик, сроки строительства и телефоны для получения дополнительной информации и подачи возможных жалоб [Саари, Рейнисто, Лайне, 1993]. Считается, что правдивая информация о проходческих работах позволит ослабить предвзятое к ним отношение и сократить количество жалоб со стороны местного населения.
3. На период эксплуатации — разработка системы управления окружающей средой в соответствии с ГОСТ Р ИСО 14001-98. Система управления окружающей средой является общей частью административного управления и включает в себя необходимые организационные структуры, разработанные процедуры и ресурсы для разработки, реализации и поддержания программы экологической безопасности подземного объекта на весь период эксплуатации.
Например, при проникновении воды из эксплуатируемого подземного сооружения в горный массив возможно частичное или полное разрушение горных пород за счёт химической суффозии, приводящей к образованию карстов. Наибольшей растворимостью обладают: галоиды (каменная и калийная соли), сульфаты (гипс, ангидрит) и карбонаты (известняки, доломиты, мергели, мел). На рис. 43 приводится пример образования карста за счёт проникновения воды из напорного тоннеля в горный массив, содержащий включения гипса. На участке длиной 4 м произошло опускание подошвы тоннеля на 15 см. После удаления повреждённой части облицовки была обнаружена карстовая полость шириной 2 м и глубиной в несколько метров. Полость была забетонирована, а на участке тоннеля длиной 69 м была выполнена дополнительная железобетонная облицовка [Волков, Воро-нецкий, Зурабов, Бугаева, 1945].
4. На период реконструкции или ликвидации объекта — учёт влияния процесса реконструкции или ликвидации подземного сооружения на сложившуюся экосистему.
В последние годы одной из наиболее важных проблем городских агломераций становятся неиспользуемые и заброшенные подземные сооружения: подвалы зданий, штреки метро, вентиляционные ходы, неиспользуемые подземные сооружения промышленного, гражданского и специального назначения, в частности,
Рис. 4.3. Пример карстовой полости, образовавшейся из-за утечки воды йз тоннеля в массив.
объекты гражданской обороны [Конюхов, Говорова, 2000]. «Инструкция о порядке ликвидации и консервации подземных сооружений, не связанных с добычей полезных ископаемых», утверждённая Постановлением Госгортехнадзора России № 34 от 02.06.98 г. предусматривает необходимые мероприятия, в том числе экологической направленности, связанные с ликвидацией и консервацией подземных сооружений. В проекте ликвидации или консервации подземного сооружения должны быть разработаны технические решения и мероприятия по:
— обеспечению устойчивости выработок или их искусственному обрушению для предотвращения провалов и недопустимых деформаций земной поверхности;
— предотвращению загрязнений геологической, гидрогеологической среды и водных объектов;
— ликвидации провалов, трещин, локализации опасных участков;
— рекультивации нарушенных территорий;
— предотвращению попадания в подземные выработки людей и животных.
При ликвидации подземных сооружений под застроенными территориями необходимо предусматривать закладку (заполнение) выработок, расположенных выше безопасной глубины. При этом необходимо предусмотреть техническое обеспечение наблюдений за состоянием подземного сооружения и его влияния на окружающую среду (горно-экологический мониторинг) на период консервации или стабилизации гидродинамического режима и процессов сдвижения горных пород и земной поверхности при ликвидации подземного сооружения.
Несмотря на принятие соответствующих законодательных положений анализ современного состояния подземного пространства Москвы, Санкт-Петербурга, Самары и других городов нашей страны указывает на практически полное отсутствие своевременно проведённых мероприятий по ликвидации или консервации подземных выработок. Существующая ситуация приводит к многочисленным провалам земной поверхности и возникновению аварийных ситуаций.
5. повторное использование подземных сооружений и отработанных горных выработок
Как уже было показано выше, в последние годы одной из наиболее важных проблем городских агломераций становятся неиспользуемые и заброшенные подземные сооружения различного назначения.
Отработанные подземные горные выработки и неиспользуемые по прямому назначению подземные сооружения (в первую очередь объекты гражданской обороны и специального назначения) являются потенциальной средой для размещения различных объектов и сооружений. Это могут быть:
— хранилища (холодильники, склады, резервуары воды, нефти, газа, нефтепродуктов, аккумуляторы различных видов энергии);
— объекты промышленности (предприятия стройиндустрии, радиоэлектроники и приборостроения, лёгкого и среднего машиностроения, оборонного назначения, высокоточные производства);
— ГЭС, ТЭС, ГАЭС, ПАЭС;
— гаражи, автостоянки, предприятия автосервиса;
— предприятия по переработке и утилизации вредных и радиоактивных отходов;
— убежища на особый период, сооружения гражданской обороны;
— спортивные и культурно-зрелищные объекты, сооружения торговли, культурно-бытового обслуживания населения;
— учебные, Научно-исследовательские, экспериментальные и др. объекты.
В соответствии со СНиП 2.01.55-85 «Объекты народного хозяйства в подземных горных выработках» наиболее перспективными для этих целей являются выработки, отвечающие следующим требованиям:
— закреплённые, поддержание которых не требует дополнительного возведения крепи, или незакреплённые, находящиеся в устойчивом состоянии;
— имеющие габариты не менее 4 м ширины, 2,4 м высоты, суммарной площадью 500 м 2 ;
— горизонтальные или слабонаклонные;
— сухие или частично затопленные из-за отсутствия средств водоотлива (водоприток из незатампонированных скважин и подходных выработок не учитывается).
В первую очередь предпочтение отдаётся горным выработкам, пройденным при разработке гипса, известняка, каменной и калийной солей, рудных месторождений, не подлежащие закладке, обрушению или затоплению; околоствольным дворам, камерам и капитальным выработкам действующих угольных шахт, специальным подземным сооружениям тоннельного и камерного типов.
Для хранения нефтепродуктов могут использоваться выработки следующих типов:
1. отработанные камеры рассолопромыслов:
— имеющие близкую к правильной форму поперечного сечения, при диаметре камеры не менее 20 м;
— располагающиеся в массивах каменных солей, не имеющих посторонних включения (битумов, сульфидов, солей калия и магния);
— не имеющие обрушений кровли и стен;
2. околоствольные дворы, камеры и капитальные выработки отработанных и действующих предприятий по добыче полезных ископаемых:
— закреплённые каменной, бетонной или железобетонной обделкой при полном демонтаже оборудования и аппаратуры;
— не имеющие обрушений кровли и стен;
— не пересекаемые крупными трещинами и разломами.
В частности, возможно вторичное использование незадей-ствованных выработок функционирующего горного предприятия по добыче полезных ископаемых — на другом горизонте или участке шахтного поля. Сочетание добычи полезных ископаемых с вторичным использованием выработок является достаточно
рациональным решением, позволяющим существенно повысить комплексность использования недр.
Для размещения только защитных сооружений гражданской обороны могут использоваться горные выработки, не подвергающиеся затоплению шахтными и поверхностными водами, за-газовыванию вредными, взрывчатыми и возгорающимися газами, имеющие габариты не менее 2 м ширины, 1,8 м высоты и . площадь, достаточную для размещения не менее 10 укрываемых людей.
Запрещены к повторному использованию следующие виды выработок:
находящиеся в зонах возможных затоплений паводковыми водами, в том числе и при внезапном разрушении гидротехнических сооружений;
пройденные в сильно обводнённых, слабых, неустойчивых, закарстованных горных породах с интенсивными оползневыми явлениями, а также породах, склонных с самовозгоранию, горным ударам, выделяющим агрессивные вещества, вредные, взрывчатые и возгорающиеся газы, имеющие повышенную радиоактивность;
пересекающие участки с большими тектоническими нарушениями.
В табл. 5.1 приводятся минимальные размеры некоторых видов выработок, допустимых для повторного использования.
Повторное использование подземного пространства базируется на приспособлении уже имеющихся техногенных ёмкостей для новых целей. При этом важную роль играет формирование планировочных решений размещения будущей инфраструктуры в уже существующих сооружениях. Нередко это приводит к выполнению дополнительных проходческих работ, особенно в горных выработках, которые не предназначались для вторичного использования (рис. 5.1, а,б,в). При перепрофилировании подземных объектов различного назначения такие работы, в большинстве случаев, практически исключены (рис. 5.1, г,д). Наиболее оптимальные варианты планировочных решений представлены в табл. 5.2. На рис. 5.2 и 5.3 показаны возможные варианты повторного использования горных выработок и подземных объектов.
Таблица 5.1. Минимальные размеры отработанных подземных горных выработок, допустимых к повторному использованию (по СНиП 2.01.55-85)
|
№ |
Подземные объекты и отдельные помещения |
Минимальные размеры выработок, м |
|
|
Ширина |
Высота |
||
|
1 |
Цеха: механический, инструментальный, автоматизации и механизации, ремонтно-инструментальный |
6,0 |
3,6/4,8* |
|
2 |
Цеха: ремонтно-механический и заготовительный |
7,0 |
4,2/5,4 |
|
3 |
Лаборатории, вспомогательные помещения |
6,0 |
3,0 |
|
4 |
Складские помещения, вычислительные комплексы |
4,0 |
3,0 |
|
5 |
Архивы, книгохранилища |
4,0 |
2,5/4,5 |
|
6 |
Музейные хранилища |
4,0 |
4,0 |
|
7 |
Склады консервированной продукции |
5,0 |
4,8 |
|
8 |
Зернохранилища |
8,0 |
6,0 |
|
9 |
Холодильники и склады продовольствия |
5,0 |
3,2 |
|
10 |
Винохранилища |
6,2 |
3,6 |
|
11 |
Грибницы |
3,0 |
2,2 |
|
12 |
Инкубаторы |
4,0 |
2,2 |
|
13 |
Стоянки |
||
|
легковых автомобилей |
6,0/4,5** |
2,2 |
|
|
автобусов особо малого класса |
6,5/5,0 |
2,2 |
|
|
автобусов малого класса |
10,5/5,5 |
3,2 |
|
|
грузовых автомобилей малой грузо- |
6,5/5,0 |
3,2 |
|
|
подъёмности |
|||
|
грузовых автомобилей малой и средней |
9,2/5,2 |
3,4 |
|
|
грузоподъёмности |
|||
|
грузовых автомобилей большой грузо- |
9,5/6,0 |
3,6 |
|
|
подъёмности |
* Высота помещений в числителе — без применения подвесного оборудования, в знаменателе — при применении подвесного оборудования.
** Ширина помещений в числителе — при однорядной расстановке транспорта под углом 90° к оси проезда, в знаменателе — под углом 45° к оси проезда.
Рис. 5 .1. Примеры планировочных решений подземных объектов, размещаемых в отработанных горных выработках:
а — упорядоченная конфигурация, б — неупорядоченная конфигурация, в — схема возможного упорядочения неупорядоченной конфигурации, г —горные выработки, пройденные по заданным параметрам, д — архитектурная организация горной выработки для повторного использования
Всё вышеперечисленное, в первую очередь, относится к отработанным горным выработкам. Однако в крупных городах и городах-мегаполисах существует значительное число неиспользуемых подземных сооружений самого различного назначения. Часть из них, в первую очередь объекты гражданской обороны, законсервированы и находятся под наблюдением специалистов. Другие — в основном, неиспользуемые при эксплуатации вспомогательные выработки строительного периода: камеры, шахтные стволы, руддворы и т.п. — надёжно закреплены и не пред-
ставляют опасности для геоэкологической среды городов. Третьи — заброшены (нередко забыты или невыявлены при инженерных изысканиях). Именно они, в большинстве случаев, проявляются провалами дневной поверхности, деформациями зданий и сооружений и являются потенциально опасными для геоэкологической среды городов. В любом случае, неиспользуемые подземные сооружения представляют собой огромный резерв подземного пространства, которое, при относительно незначительных и недорогих доработках (по сравнению со стоимостью строительства нового объекта), может быть использовано для размещения объектов торговли, культурно-бытового обслуживания населения, складов, хранилищ и т.п. И здесь может быть широко использован опыт зарубежных стран. В первую очередь это касается сооружений гражданской обороны.
В 1970—1980-е годы в Москве были построены несколько десятков подземных убежищ, многие из которых в настоящее время простаивают. Все эти объекты находятся в густонаселённых, в основном «спальных», районах с не всегда широко развитой инфраструктурой. Существующие подземные убежища могут
|
№ |
Наименование |
Схема |
Условные обозначения |
|
7 |
Радиально- |
\ 1 / |
|
|
кольцевая |
|||
быть переоборудованы под торговые комплексы, учреждения культурного и бытового обслуживания, объекты сервиса, склады, автостоянки, спортивные клубы, развлекательные заведения. Примером подобного подхода могут служить Мурманск и некоторые подмосковные города, где многие подземные убежища используются под склады.
В пределах исторического центра крупных городов немало подземных ходов, имеющих историческое значение. Многие из них могут использоваться для размещения археологических и исторических музеев, проведения экскурсий и организации туристических маршрутов. Кроме этого, в подземных объектах, имеющих историческое значение и соответствующий интерьер, возможно устройство кафе, ресторанов, сувенирных киосков и пр. Хорошим примером подобного подхода являются катакомбы Одессы, где специально выделенные и изученные участки используются для посещений туристами.
Ещё одной областью применения неиспользуемых подземных сооружений, особенно разветвлённых подземных ходов, является индустрия развлечений. После специальной подготовки интерьера и оборудования, в таких помещениях возможно проведение пейнт-больных и им подобных групповых имитационных игр и соревнований, а также других аналогичных мероприятий.
Таким образом, можно сделать вывод, что неиспользуемые подземные помещения являются потенциальным резервом подземного пространства, которое можно Использовать не только с пользой для геоэкологической среды города, но и получать от их эксплуатации прибыль.
6. надёжность и долговечность подземных сооружений
Негативные последствия загазованности воздуха усугубляются при недостаточно эффективной вентиляции, а также в случае неисправности или неожиданного отключения вентиляционной системы.
При возведении подземных объектов в газоносных породах выполняют систематический дозиметрический контроль различных газов и химических соединений. Для определения концентрации опасного даже в малых дозах оксида углерода (угарного газа) СО разработаны различные приборы: портативные переносные и автоматические стационарные устройства — анализаторы, работающие на основе использования инфракрасного излучения, электрохимические детекторы и др. Созданы разнообразные детекторы для выявления присутствия метана и определения его концентрации, работающие на основе использования различных химических и физических свойств этого газа.
Недостаток кислорода в атмосфере подземных выработок обнаруживают при помощи приборов, оборудованных электрохимическими датчиками. Для определения концентрации оксидов азота, сероводорода и аммиака применяют специализированные детекторы.
Загазованность воздуха часто сопровождается задымленно-стью, когда частицы углерода и оксиды азота образуют коричневый дым, ухудшающий условия видимости и повышающий вероятность возникновения аварии. Сильной задымленностью воздуха сопровождаются пожары и взрывы.
Пожары и взрывы могут привести к разрушению обделки и временной крепи, обрушению породы, прорыву подземных вод, выходу из строя оборудования.
Пожары в эксплуатируемых подземных сооружениях чрезвычайно опасны в связи с ограниченным пространством, большим скоплением людей и трудностями их быстрой эвакуации, а также из-за удаленности сооружений от крупных гарнизонов пожарной охраны и источников воды, трудностей проникновения к очагу пожара и подачи достаточного количества огнетушащих веществ, а также отсутствия видимости.
Для развития пожаров в условиях подземного объекта характерны: быстрое задымление воздуха; высокая концентрация токсичных газов; возможность скопления горючих газов и паров во взрывоопасной концентраций; наличие высоких температур (до 1500 °С).
Несмотря на то, что пожары в тоннелях случаются значительно реже, чем в наземных сооружениях, последствия их, как пра-
вило, более трагичны. При первых признаках пожара и связанного с ним задымления большинство находящихся в подземном сооружении людей могут поддаться панике; часто проявляются групповые психозы и коллективная истерия.
Пожары и взрывы в строящихся и эксплуатируемых подземных сооружениях происходят не только из-за сильной загазованности воздуха выработки и при повышений температуры окружающего массива, но и из-за нарушения правил техники безопасности при выполнении ряда работ в тоннеле (электро- и газосварка, буровзрывные работы, ремонт электрооборудования, присутствие легковоспламеняющихся материалов). Частыми причинами пожаров и взрывов в транспортных тоннелях являются внезапные возгорания транспортных средств в случае их неисправности, наездов или столкновений (особенно таких транспортных средств, которые перевозят легковоспламеняющиеся или взрывоопасные грузы), а также неисправности электрооборудования в тоннеле.
В ряде случаев причиной аварийных ситуаций могут стать нарушения технологии производства работ. Например, несвоевременное и недостаточно тщательное крепление забоя в слабоустойчивых и неустойчивых грунтах может вызвать обрушение породы. Нарушения технических условий и правил техники безопасности при работе под сжатым воздухом могут привести к прорывам воды с грунтом в забой и заболеванию рабочих кессонной болезнью, а также к возникновению пожаров.
К авариям приводят и некоторые нарушения режима эксплуатации сооружения. Так, внезапная поломка или отключение системы освещения может привести к столкновению транспортных средств в автодорожных тоннелях. Выход из строя вентиляционного оборудования может вызвать чрезмерную загазованность воздуха, а отключение на длительное время водоотливных устройств — затопление выработки.
Аварийные ситуации в строящихся и эксплуатируемых подземных сооружениях приводят к неблагоприятным экологическим последствиям: нарушениям устойчивости грунтового массива, просадкам дневной поверхности, повреждениям наземных зданий, сооружений и инженерных коммуникаций, загазованности и задымлении воздушного бассейна, повышению шума и вибрации на прилегающей территории.
При строительстве подземных сооружений необходимо проводить всесторонний учёт возможных последствий влияния возводимого сооружения на окружающую среду.
В целом, проблемы экологии подземного строительства характеризуются:
— разработкой мероприятий по предотвращению возможных негативных последствий строительства подземных сооружений, включая предотвращение просадок зданий и сооружений на дневной поверхности, нарушение гидрогеологического режима подземных вод, предотвращение проникновения воды из напорных тоннелей в массив, приводящего к образованию размывов и карстов и т.п.;
— выявлением в массиве горных пород зон разуплотнения, опасных для строительства подземных сооружений;
— применением экологически эффективных технологий освоения подземного пространства;
— необходимостью строительства подземных сооружений нового поколения, предусматривающих максимальный комфорт и безопасность пребывания в них людей.
За рубежом с середины 70-х годов прошлого века нашло широкое применение экологическое аудирование промышленных предприятий, смысл которого заключается в стимулировании деятельности производителя по предотвращению или снижению загрязнения окружающей среды.
В РФ экологическое аудирование промышленных предприятий стало проводиться лишь с середины 1990-х годов, и было связано с необходимостью соответствия производственной практики промышленных предприятий международным требованиям и стандартам для получения иностранных инвестиций и участия в международных проектах. Правовой основой этого процесса ста-
ли: Постановление правительства РФ № 1229 «О создании Единой государственной системы экологического мониторинга России» от 24.11.93 г. и Приказы Минприроды России: № 412 «Об экологическом аудировании» от 11.10.95 г. и № 540 «Об организации экологического аудита» от 29.12.95 г. С 1 апреля 1999 года были приняты государственные стандарты: ГОСТ Р ИСО 14001-98, ГОСТ Р ИСО 14004-98, ГОСТ Р ИСО 14010-98, ГОСТ Р ИСО 14011-98 и ГОСТ Р ИСО 14012-98, базирующиеся на международных экологических стандартах качества ISO 14000.
В горнодобывающей промышленности разрабатываются методы аудита информации, получаемой при проведении горно-экологического мониторинга, определяемого как специальная информационно-аналитическая система контроля и оценки состояния окружающей среды в зоне действия предприятий горнодобывающей промышленности. При этом горно-экологический мониторинг основывается на определении источников воздействия на окружающую среду каждого конкретного объекта горного производства (обогатительная фабрика, карьер, подземный рудник и пр.) и формировании на горнодобывающем предприятии системы наблюдательных сетей. Работа наблюдательных сетей носит, в первую очередь, статистический характер и позволяет своевременно получать необходимую информацию о состоянии окружающей среды и изменениях, происходящих в ней под воздействием горного производства. При аудировании полученной информации проверяются данные о существовании на предприятии системы горно-экологического мониторинга, годовые отчётные данные о влиянии горного производства на окружающую среду и достоверность предоставляемых данных [Певзнер, 1999].
К настоящему времени назрела необходимость разработки систем экологического аудирования для проектирования, строительства и эксплуатации подземных сооружений, возводимых в крупных городах и городах-мегаполисах. В этом случае основная задача экологического аудирования — это не только независимое исследование всех аспектов хозяйственной деятельности промышленного предприятия для установления размера прямого или косвенного воздействия на состояние окружающей среды, подразумевающее статистическую констатацию существующего положения вещей, но и разработка мероприятий и рекомендаций по наиболее безболезненной интеграции подземного объекта в
геоэкологическую среду. Таким образом, основная задача экологического аудирования подземного строительства — соблюдение баланса между условиями сохранения или минимального нарушения природной среды и полного, качественного и экономически выгодного производственного процесса.
Экологическое аудирование должно проводиться уже на предпроектной стадии и включать в себя различные виды работ i для разных стадий «жизни» сооружения.
1. До начала строительства — комплексный геоэкологиче-, ский анализ территории, включая геомеханическое обеспечение подземного строительства и прогнозирование гидрогеологиче-• ских условий осваиваемой территории.
Эксплуатируемые и строящиеся подземные сооружения являются «зонами повышенного риска» и, в случае возникновения аварийной ситуации, представляют серьезную опасность для находящихся в них людей. Аварии в подземных выработках происходят чаще, а последствия их намного тяжелее, чем в других отраслях строительства: травматизм и гибель людей, длительное прекращение эксплуатации или удлинение сроков строительства, значительный экономический ущерб.
Авария — это внезапное общее или частичное повреждение оборудования, горных выработок, сооружений, различных устройств, сопровождающееся длительным (как правило, более смены) нарушением производственного процесса, работы участка или предприятия, сооружения в целом [Горная энциклопедия, 1984].
По степени наносимых убытков и размерам разрушения все аварии подразделяют на:
1. крупные — охватывающие всё сооружение и приводящие к прекращению его строительства или эксплуатации на длительный период времени;
2. местные — приводящие к разрушениям сооружения только на отдельных участках. Последствия таких аварий могут быть ликвидированы в короткие сроки.
* При подготовке данного раздела, в основном, использованы материалы [Власов, Маковский, Меркин, 2000].
Подземные выработки — это капитальные сооружения, срок службы которых составляет не менее 100—150 лет*. В течение этого периода времени они должны удовлетворять требованиям эксплуатационной надёжности и обеспечивать безопасность, долговечность, сохраняемость и ремонтопригодность как всего сооружения, так и отдельных его частей.
В практике строительства и эксплуатации подземных выработок могут происходить различные аварии, характер проявления которых определяется многочисленными факторами: протяжённостью подземного сооружения и размерами его поперечного сечения, местом расположения и глубиной заложения, инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями, технологией строительства.
В большинстве случаев, основными причинами аварий являются:
— ошибки при изысканиях — в основном, возникают из-за неполного объёма разведочных работ и геотехнических исследований, а также из-за неадекватной оценки геотехнической ситуации;
— ошибки при проектировании — могут быть вызваны принятием неудачных конструктивных и технологических решений, несоответствием расчётных схем конструкций действительности, нарушением требований правил и норм;
— ошибки при строительстве — в основном, из-за низкого качества работ, использования дефектных материалов и изделий, нарушения проектных параметров и требований технических заданий;
— ошибки при эксплуатации — связаны с несвоевременным и недостаточно полным обследованием, ремонтом и реконструкцией сооружения, нарушением штатных режимов вентиляции, освещения, водоотвода, правил безопасной эксплуатации.
* В Великобритании проводится обследование 12 наиболее старых тоннелей, построенных в конце XVIII—начале XIX вв. Это обследование включает в себя сбор данных по изменению инженерно-геологического и экологического состояния горного массива, состоянию крепления выработок и многое другое. Предполагается, что на основании этих данных будет проведена реконструкция, которая позволит продлить эксплуатацию этих сооружений ещё на 150 лет [Victorian rail tunnels, 1998].
Кроме вышеперечисленных, причинами аварий могут стать: стремление к максимальным экономии и прибыли, неоправданное повышение скорости строительства, агрессивность окружающей среды, недостаточная согласованность между проектировщиками, строителями и эксплуатационниками, стихийные природные явления (землетрясения, лавины, наводнения).
Обычно, в первые 5—10 лет после строительства не наблюдается никаких серьёзных повреждений конструкций и эксплуатационного оборудования. Через 15—25 лет после начала эксплуатации возникают дефекты, связанные с резкими колебаниями температуры воздуха на припортальных участках, агрессивными водами, обледенением, осадками основания и т.п. Через 50— 70 лет проявляются последствия неудачного проектирования и строительства, явления старения материалов конструкции и окружающего грунта.
Самые распространённые аварии, как в строящихся, так и в эксплуатируемых сооружениях, связаны с:
1. обрушениями породы;
2. затоплениями;
3. загазованностью воздуха;
4. пожарами и взрывами;
5. антропогенными воздействиями.
Обрушением называется непредвиденное сдвижение горных пород с отделением от массива кусков, блоков, глыб и т.п. Его причиной является ослабление сил трения между отдельными частями массива, переходящих из состояния покоя в состояние движения. Чаще всего обрушения породы в забое или призабой-ной зоне имеют место при проходке горными способами в зонах слабоустойчивых грунтов с различными технологическими нарушениями. К ним относятся: продолжительное нахождение приза-бойного участка на временной крепи; несвоевременное и недостаточно надежное закрепление лба забоя; установка временной крепи недостаточной несущей способности и жесткости.
При проведении выработок закрытым способом обрушения обычно происходят в непосредственной близости от забоя выработки или в самом забое. При строительстве на глубине до 30 м в устойчивых породах проявляется разгружающее действие свода в грунте. Однако при нарушении этих условий, в частности, при
водопритоке, разгружающий эффект исчезает и происходит об-
• рушение породы (рис. 6.1, а).
При наличии тектонических нарушений обрушения могут происходить непосредственно в зоне тектонического нарушения или на её границе. В процессе проходки грунт стремится оседать вниз и перемещаться вдоль тоннеля в сторону портала. Во время пересечения тектонических зон, либо при наличии впереди по трассе тоннеля более плотного массива, смещение породы вперёд
- становится невозможным и происходит вывал (рис. 6.1, б).
Нередко вывалы могут происходить в призабойной зоне на расстоянии около 50 м от забоя, там, где исчезает поддерживающее влияние породного массива (рис. 6.1, в).
В тех случаях, когда возведение обделки идёт с отставанием, обрушения породы могут происходить на границе переднего торца уже возведённой обделки (рис. 6.1, г).
Причинами обрушения также могут быть понижение уровня грунтовых вод (УГВ) и извлечение из забоя валунов и крупных каменистых включений.
Купол вывала может распространяться до поверхности земли, образуя «воронку вывала» (рис. 6.2), либо может находиться в различной степени стабилизации, определяющейся свойствами и характером напластования пород. Наиболее опасна неустойчивая стабилизация вывала в мягких и слабоустойчивых породах; при которой может происходить его дальнейшее развитие, сопровождающееся обрушениями больших масс породы.
При строительстве подземных сооружений открытым способом обрушение грунта обычно происходит в виде оползневых тел, ограниченных плоскостями скольжения.
Обрушения и оползания приводят к подвижкам и деформациям породного массива, сопровождающимся осадками дневной поверхности, потерей устойчивости фундаментов зданий и сооружений, расположенных в непосредственной близости от места аварии, повреждением наземных и подземных коммуникаций, покрытий автомобильных дорог и верхнего строения путей железных дорог.
При внезапном обрушении породы в строящемся подземном сооружении возможны гибель и травматизм обслуживающего персонала, разрушения и выход из строя горнопроходческого оборудования. . Механизированные щиты и тоннелепроходческие машины с исполнительными органами планетарного и роторного действия могут быть полностью заблокированы в забое обрушившейся породой. Это приводит к серьезным повреждениям и разрушению рабочего органа, корпуса и оборудования щитов и тонне-лепроходческих машин, вызывает
Рис. 6.2. Воронка вывала в забое строящегося тоннеля
необходимость ремонта проходческого агрегата на месте (что обычно крайне затруднительно) или его демонтажа и удаления из выработки. Для доступа к проходческому агрегату приходится вести проходку вспомогательных выработок (шахтных стволов, штолен, котлованов) и выполнять работы по стабилизации породного массива путем водопонижения, замораживания, тампонажа или химического закрепления. Все это сопряжено со значительными материальными затратами и увеличением сроков строительства.
При ведении проходческих работ ниже уже существующих
, выработок, особенно заброшенных с нарушенной крепью, при росте нагрузки на крепь сохранившейся старой выработки от строительства новых зданий и сооружений, вибрации от веде-
‘ ния строительных работ, работы машин и механизмов, затопления заброшенных выработок и тому подобных явлений, воз-
; можна активизация сдвижения грунтов и горных пород, что
; приводит к образованию провалов и локальных оседаний земной поверхности. Над горизонтальными выработками с глубиной заложения до 80—100 м деформации земной поверхности проявляются в виде провалов и микромульд сдвижения, характеризующихся небольшой площадью, неправильной конфигурацией в плане, большой кривизной бортов, большими вертикальными и горизонтальными деформациями земной поверхности. Над вертикальными выработками (стволами, шурфами, скважинами и т.п.) деформации развиваются, как правило, в вертикальном направлении в месте их выхода на земную поверхность с образованием просадок поверхности и воронок обрушений [Нестперенко, Феофанов, 1998]. Процесс разрушения при этом несимметричен относительно оси ствола и протекает поочерёдно в случайной последовательности в пределах конуса обрушения. В глубинной части разрушения, в основном, возникают в окрестности слабых прослоев пород. Формы полостей разрушений несимметричны, при этом объём разрушенных более прочных пород, примыкающих к более слабому слою, может в 4—5 раз превышать объём разрушенных слабых пород [Звя-гильский, 1998]. По мере засыпки выработки, ранее обрушившиеся обнажения становятся устойчивыми и процесс разрушения затухает.
В эксплуатируемых подземных сооружениях обрушения, как правило, происходят в отдельных местах. Обрушившаяся порода может полностью или частично заполнить участок выработки, образуя завал. Завалы подразделяют на:
глухие (рис. 6.3, а);
завалы с отрывом (рис 6.3, б);
завалы переходного типа (рис. 6.3, в).
Причиной обрушений служит незнание или недооценка геологических условий или неправильная интерпретация результатов измерений, что ведёт к принятию ошибочных решений при проектировании и строительстве.
В частности, неточные знания физических, прочностных, деформационных и реологических свойств горных пород, слагающих массив, приводят к ошибкам в определении нагрузок на кон-
6.3. Виды обрушений породы в эксплуатируемых тоннелях: 1 — вывал, 2 — обделка
струкции, выборе расчетной схемы, установлении параметров буровзрывных работ, временной крепи, в принятии способа разработки грунта, технологии проходческих работ и, в конечном итоге, могут вызвать аварийную ситуацию.
Помимо знания свойств грунтов и горных пород необходима правильная оценка массива в целом, его структурных особенностей: степени неоднородности, анизотропии, естественной и искусственной трещиноватости, слоистости, сланцеватости и т.п.
Частыми причинами аварий в подземных сооружениях являются неблагоприятные физико-геологические процессы: гравитационные, сейсмические, тектонические, геотермические, кар-стово-суффозионные и др., сопровождающиеся вывалами и обрушениями породы, стреляниями и горными ударами, внезапными прорывами подземных вод и плывунов, выбросами пород и газов, нагреванием горных пород и подземных вод, набуханием и усадкой пород, морозным пучением грунтов и др. Различные формы строения участков земной коры, образовавшиеся в результате геотектонических дислокаций (складки, сбросы, выбросы, сдвиги, надвиги, разломы), представляют повышенную опасность для строящихся и эксплуатируемых подземных объектов. Так, при проходке тоннеля по оси синклинальной складки, обделка испытывает значительное вертикальное и горизонтальное давление, а в крыльях антиклинальной складки возникает одностороннее горное давление (рис. 6.4). В ядрах антиклиналь-
При строительстве тоннелей мелкого заложения затопления происходят, чаще всего, в результате разрыва магистральных водопроводов или теплотрасс, оказавшихся в зоне влияния горных работ.
Подземное строительство в условиях сильного водопритока требует принятия специальных мер по водоподавлению. Эффективность этих мер во многом зависит от степени достоверности прогноза гидрогеологической ситуации, характеризующейся расположением и режимом подземных вод, строением и свойствами грунтов. Ошибки в прогнозе гидрогеологической ситуации во многих случаях приводят к возникновению аварийных ситуаций, что значительно осложняет ведение горнопроходческих работ, снижает их темпы, а иногда вызывает частичное или полное затопление строящегося сооружения. При этом изменяется естест венный пежим ттвижения ггтттовых вод, что может, в свою очередь, привести к потере устойчивости породного массива.
Катастрофические затопления подземных выработок нередко случаются при проведении подводных тоннелей. Подземные работы под река-
Рис. 6.5. Схемы прорывов воды в тоннель: при пересечении водоносного пласта в кровле (а) и в подошве (б), при пересечении сбросовой трещины кровлей (в), подошвой (г), при прорыве напорными водами кровлей (д) и подошвой (е) водоупорного целика недостаточной мощности, при пересечении забоем водоносной трещины (ж), при пересечении водоносных карстовых полостей (з)
ми, каналами, морскими заливами и проливами ведутся, преимущественно, в слабых неустойчивых грунтах под большим гидростатическим давлением, что требует исключительной осторожности при ведении горнопроходческих операций, предварительного исследования надежности защитных свойств породной кровли и забойного пространства, подготовки эффективных мер по технике безопасности, разработки защиты против стихийного прорыва воды. Наибольшая вероятность прорыва воды в забой при проходке подводных тоннелей закрытыми способами возникает в случае гидравлической связи грунтовых и поверхностных вод.
История строительства подводных тоннелей под крупными водными преградами насчитывает многочисленные примеры аварий, связанных с затоплением тоннельных выработок. Например, при проходке подводных тоннелей под Ирландским морем на глубине 240 м от дна неожиданно прорвавшаяся вода затопила выработки, в результате чего погибли 40 человек. При строительстве подводных выработок в Японии, вследствие внезапного прорыва воды, погибли 240 человек. Наиболее крупные современные аварии произошли при строительстве подводных тоннелей Сейкан в Японии и под проливом Большой Бельт в Дании.
Эксплуатируемые сооружения могут быть затоплены ливневыми и паводковыми водами при недостаточно эффективных защитных мероприятиях. Кроме этого причиной попадания воды в эксплуатируемое сооружение могут быть повреждения конструкции обделки, выход из строя дренажа, нарушения сплошности гидроизоляции.
Частичное затопление подземного объекта вызывает нарушение его нормальной эксплуатации, повреждение элементов конструкции и инженерного оборудования, а внезапное сильное затопление — аварийную ситуацию с человеческими жертвами.
Загазованность воздуха в строящихся или эксплуатируемых подземных сооружениях выше допустимых пределов может привести к следующим аварийным ситуациям: отравлению людей, пожарам и взрывам легковоспламеняющихся и взрывоопасных веществ, газовой коррозии материала обделки и эксплуатационного оборудования.
Аварийная ситуация может быть вызвана непрогнозируемым устойчивым превышением в воздухе рабочей зоны предельно допустимых концентраций (ПДК) ядовитых, вредных инертных или взрывоопасных газов. Аварии возникают при неудовлетворительной организации проветривания, отсутствии или ослаблении систематического контроля за содержанием газа в воздухе выработок.
Источником образования ядовитых или взрывоопасных газов могут служить технологические процессы (взрывные работы, искусственное замораживание грунтов и т.п.), а также геологический состав окружающих пород на участках строительства тоннелей. Наибольшее количество (23%) аварийных ситуаций приходится на строительство объектов в породах, насыщенных нефтепродуктами или газоносных, а также при ведении взрывных работ (20%). Примерно 30% всех аварий происходит при выполнении операций, связанных с искусственным замораживанием грунтов.
Основные причины загазованности и задымленности воздуха в подземном сооружении: пересечение его трассой нефтеносных, битуминозных, соленосных пород, а также вскрытие полостей, заполненных природными газами, характеризующихся содержанием большого количества ядовитых и взрывоопасных компонентов.
Наиболее часто в условиях подземного строительства встречаются мотан, моноксид углерода, диоксид углерода, сероводород, диоксид серы и аммиак. Различные газы и соединения (моноксид углерода, углеводороды, оксиды азота и др.) выделяются дизельными или карбюраторными двигателями, установленными на горнопроходческом оборудовании и на транспортных средствах. Нередко содержание в воздухе токсичных и горючих газов превышает предельно допустимую концентрацию, а процентное содержание кислорода становится недостаточным.
Газы попадают в эксплуатируемое сооружение из окружающего грунтового массива через обделку (при отсутствии специальной газоизоляции), выделяются двигателями транспортных средств, эксплуатационным оборудованием и при дыхании людей, и могут вызвать различные аварийные ситуации.
Большое значение было придано правильному подбору искусственного освещения подземных станций и удобству пропуска пассажиропотоков. Вся арматура освещения на станциях выполнена светополосами, в которые вмонтированы системы освещения, теленаблюдения и громкоговорящего оповещения.
Связь между платформами организована с помощью переходов, соединённых эскалаторами и лестничными маршами (рис. 3.3). Лестничные марши выполнены под углом 35° и их ступени, для предотвращения соскальзывания пассажиров, имеют абразивную поверхность.
На станциях установлены ограждения платформ из бронированного стекла с автоматически открывающимися дверями в местах посадки—высадки пассажиров (рис. 3.4). В принципе, такое конструктивное решение является упрощённым вариантом отечественных станций типа «горизонтальный лифт» (см. рис. 2.51), хотя эти решения и преследуют разные цели. Существенным недостатком конструкции станций типа «горизонтальный лифт» является их проектирование под определённый типоразмер состава, что приводит к значительным осложнениям, не только при изменении типа поезда, но даже при увеличении количества вагонов. В этих случаях возникает необходимость практически полной реконструкции всей станции.
Рис. 3.3. Проект одной из станций линии «Метеор:
При этом, с точки зрения обеспечения безопасности, стеклянное ограждение платформ обладает рядом несомненных преимуществ: значительно более низкая стоимость, максимальное обеспечение безопасности пассажиров, ожидающих поезда, возможность установки ограждения на уже существующей станции и его быстрого приспособления под габариты поезда в случае их изменения.
Важной проблемой обеспечения безопасности для отечественного метрополитена является достаточно частое нанесение травм пассажирам подходящими и отходящими составами. Применяемые в настоящее время в московском метро технические решения снижают степень травматизма, но не являются кардинальным решением проблемы. Учитывая вышесказанное, возможно применение ограждений, аналогичных представленным на рисунках 3.3 и 3.4, на платформах и в переходах над путями для станций метрополитена в крупных городах России, в первую очередь, в Москве и Санкт-Петербурге. Это позволит практически полностью обезопасить пассажиров от травмирования поездами, случайного падения на пути, а также значительно снизит уровень шума на станциях. Если же стеклянное ограждение будет запроектировано на всю высоту станции и сможет полностью изолировать посадочные платформы от распределительного зала, то, при обеспечении нормальной вентиляции станционного
Рис. 3.4. Станция с ограждением платформы из бронированного стекла
Рис. 3.5. Виброгасящее строение пути на амортизаторах: 1 — железобетонное путевое корыто, 2 — опорный продольный блок с выпусками арматуры, 3 — резиновый амортизатор, 4 — проёмы для подъёма пути при замене резиновых амортизаторов, 5 — выпуски арматуры, 6 — гидроизоляция, 7 — монолитный бетон
пространства, возможна практически полная шумоизоляция распределительного зала.
Вагоны поездов на линии «Метеор» имеют резиновые колёса для предотвращения вибрации и шума в перегонных тоннелях и на станциях.
Другое техническое решение для снижения шума и вибрации при движении поездов было принято при разработке конструкции пути линии «А» римского метрополитена. Путь состоит из железнодорожных рельсов, уложенных на деревянные шпалы из дуба или ясеня, пропитанных составом на основе битума. Шпалы укладываются на щебёночное основание, под которым располагается листовое покрытие из резины толщиной 2 мм.
На станции «Ватерлоо» Юбилейной линии лондонского метрополитена установлено специальное виброгасящее верхнее строение пути, исключающее передачу вибрации от движения поездов через грунтовый массив на конструкции близлежащих зданий.
На рис. 3.5 приводится конструкция виброгасящего строения пути, используемого на Калужско—Рижской линии Московского метрополитена [Дорман, 1995].
Таким образом, правильное архитектурное и конструктивное решение подземных помещений, особенно предполагающих постоянное или длительное присутствие человека, позволит повысить эмоционально-психологический комфорт и безопасность находящихся в них людей.