Анализ аварийных ситуаций и их последствий в коммунальном подземном строительстве Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© Е.Ю. Куликова, 2002

УДК 624:521

Е.Ю. Куликова

АНАЛИЗ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ И ИХ ПОСЛЕДСТВИЙ В КОММУНАЛЬНОМ ПОДЗЕМНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

тррительство коммунальных подземных сооружений характеризуется це-лЫм“рЯдом специфических особенностей, которые определяются природными и техногенными условиями, при которых ведется строительство, эксплуатация и поддержание подземных объектов. Строительство, в большинстве случаев, ведется на небольших глубинах, в обводненных неустойчивых грунтах, вблизи действующих подземных коммуникаций, под транспортными трассами, водоемами. Положение осложняется наличием наземной городской застройки, которая, в свою очередь, представляет не только народнохозяйственную, но и культурно-историческую ценность. Кроме того, строительство коммунальных подземных сооружений характеризуется тенденцией постоянного усложнения горно-геологических условий, обусловливающих необходимость использования специальных способов строительства и поддержания сооружений в рабочем состоянии.

Если принять во внимание статистические данные, то будет очевидным, что наиболее отрицательное воздействие на состояние экологической безопасности коммунального подземного строительства Российской Федерации имеют аварии техногенного характера: из 89 случаев (64,9% от общего количества), 53 (37,9% от общего количества) приходятся на коммунальные системы жизнеобеспечения - теплоэнергоснабжение, водоснабжение и канализацию. На объектах и сетях водоснабжения и канализации в 2000г. имели место 24 аварии техногенного характера (26,9% от общего количества), причем в 5 случаях неочищенные стоки сбрасывались в водоемы. Значительная часть техногенных аварий в большинстве случаев произошла по причинам ветхости сетей и оборудования (45%), а

также из-за нарушения правил технической эксплуатации (36%).

Наибольший объем сброса загрязненных сточных вод имеют водопроводно-канализационные предприятия следующих городов (млн м3/год):

Так как система «коммуналь-ный тоннель - породный массив» является чрезвычайно сложным комплексом, быстро реагирующим на любое изменение в одном из элементов системы,

Москва 2227,5;

Санкт-Петербург 1304,2;

Нижний Новгород 356,4;

Новосибирск 294,9;

Самара 274,4;

Челябинск 251,4;

Красноярск 238,7.

возможна ситуация, при которой определенное сочетание природных и техногенных факторов могут привести к аварии в подземном сооружении.

Все аварии можно подразделить на насколько групп:

1) по степени наносимых убытков и размерам разрушений все аварии подразделяются на:

• крупные, охватывающие все подземное сооружение и приводящее к прекращению его функционирования на длительное время. Крупные аварии, как правило, сопряжены с травматизмом и гибелью людей;

• местные, влекущие за собой разрушение тоннеля на ограниченном участке, последствия которого могут быть быстро ликвидированы.

2) по виду производимых работ аварии делятся на:

• происходящие при строительстве подземных сооружений;

• возникающие в процессе эксплуатации подземных объектов.

Аварии в строящихся и эксплуатируемых коммунальных тоннелях во многом аналогичны, но обладают и особенностями, характерными для вида производства работ. Аварии в

строящихся подземных сооружениях происходят внезапно и неожиданно, в эксплуатируемых подземных объектах они являются следствием длительных процессов разрушения и деформирования конструкций (за исключением таких видов аварий как пожары и взрывы).

При строительстве коммунальных тоннелей наиболее характерными являются аварийные ситуации следующего вида:

• возникающие в связи с непрогнозируемым сдвижением горных пород (обрушения и завалы в горных выработках, оползни и обрушения бортов котлованов);

• возникающие при внезапных прорывах плывунов, пульпы и воды и приводящие к затоплению выработок и котлованов;

• вызванные нарушением технологии строительства и сопровождающиеся загазованностью выработок вредными и ядовитыми газами, в том числе, вследствие пожаров и загорания. В практике строительства тоннелей пожары и загорания имеют место, в основном, на поверхности земли и на строительных площадках (40% от всех случаев аварийных ситуаций). Как правило, они происходят вследствие неисправности электрооборудования (29%) или по причинам нарушения правил ведения огневых работ (22%). В целом на поверхности причин возникновения аварийных ситуаций гораздо больше, чем под землей. Чаще всего причины возгорания связаны с неаккуратным использованием строительных приборов;

• проходческими работами по сооружению новых выработок или котлованов, расположенных в окрестностях эксплуатируемых тоннелей. Примером может служить постоянное увеличение размеров подземного озера от Русаковской улицы в сторону Сокольнической заставы. Первые сведения о значительном подземном обводнении района между Ярославским шоссе и Яузой появились в первой половине ХХ века при строительстве Сокольнической линии метро. Исследования на мете будущей стройки показало, что вмещающим грунтом является плотные песчаноглинистые породы. Однако подземное озеро начало расширяться. Причиной этого расширения служат прорывы

коллекторов, изменение русел подземных рек.

При эксплуатации коммунальных тоннелей основными признаками возникновения аварийных ситуаций являются:

> разрушения и деформации обделок или их элементов, в том числе коррозионные проявления на несущих конструкциях;

> обрушения породы при разрушении обделки тоннеля;

> задымление и загорание оборудования и кабелей;

> выносы грунта в тоннель из-за заобделочного пространства;

> сильные течи, в том числе подтопление и затопление тоннелей;

> заиливание дренажных систем;

> нарушение габаритов приближения строения или габаритов оборудования;

> поступление через тоннельную обделку горючих или ядовитых веществ.

Наиболее характерные и часто происходящие аварии при строительстве подземных сооружений и на этапе их эксплуатации отражены в табл.

1.

Аварийные ситуации могут быть связаны и с тем, что новый подземный объект попадает в зону действия уже вышедших из строя или забытых коммунальных сооружений. Иногда это сопровождается разрушением наземных зданий. Нарушением технологии при строительстве подземных коммуникаций вызвано развитие трещин на стенах домов на улицах Мясницкой,11, Болотной, 12, Проспекте Мира, 74. В табл. 2 приведены виды технологических операций при строительстве подземного сооружения

в окрестностях коммунального тоннеля, соответствующие этим операциям возможные нарушения правил производства работ и возможные аварийные ситуации, являющиеся следствием этих нарушений технологии.

Канализационные тоннели,

транспортирующие бытовые и производственные сточные воды на десятки километров, относятся к особо аварийно опасным объектам, в которых трудно заранее предвидеть вероятность реконструкции в течение нормативного срока эксплуатации из-за многофакторности воздействия среды на конструкцию. Поэтому вероятность формирования аварийно опасной ситуации при эксплуатации этих сооружений определяется такими категориями, как непосредственно аварийность, обеспеченность водоотведения и капитальность.

Под аварийностью понимается комплекс факторов определяющих воздействий на конструкции канализационного тоннеля, вызывающих его разрушение. Аварийность определяется по бальной системе.

Под обеспеченностью водоотведения понимается совокупность методов, средств и мероприятий, выполняемых на стадии проектирования, строительства и эксплуатации тоннеля и направленных на организацию отведения расходов сточной жидкости. При этом канализационные тоннели подразделяются на три категории.

К первой категории относятся канализационные тоннели, не обеспеченные дублированием, обслуживающие городские территории, не имеющие водных протоков и возможности сброса сточных вод в аварийных ситуациях. Выключение из рабо-

ты тоннеля данной категории может привести к значительному экологическому и социально-экономическому ущербам, соизмеримым с экологической катастрофой.

Ко второй категории относятся канализационные тоннели, в которых имеется возможность непродолжительного сброса сточных вод в близлежащий водоем при надлежащем разрешении или использование передвижных насосных станций для перекачки вод в близлежащую сеть. Выключение из работы канализационного тоннеля данного типа может быть отнесено к категории аварии, и привести к значительным экономическим потерям.

К третьей категории относятся канализационные тоннели, которые имеют возможность переключения транспортируемого расхода сточных вод в дублирующие тоннели или позволяют осуществлять переключение стоков на уровне подключения. Выключение из работы канализационного тоннеля или его участка не приносит экономических и экологических потерь.

Под капитальностью понимается комплекс конструктивных особенностей канализационных тоннелей при проектировании, реализованный при строительстве и эксплуатационных мероприятий, направленных на отведение сточных вод согласно категории обеспеченности водоотведения в течение нормативного срока (100 лет).

К первой категории капитальности относят канализационные тоннели, конструкции которых выполнены из высокопрочных, антикоррозийных материалов, не подвергающихся истиранию, с использованием специаль-

Таблица 1

ХАРАКТЕРНЫЕ АВАРИИ ДЛЯ КОММУНАЛЬНОГО ПОДЗЕМНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Аварии в коммунальных подземных сооружениях В период строительства В период эксплуатации

Наиболее характерные и часто встречающиеся Обрушение породы в забое; разрушение и чрезмерные деформации крепи; затопление выработок водой и плывуном; загазованность и задымленность воздуха; пожары, загорания, взрывы; внезапная поломка горно-строительного оборудования (щиты, тоннелепроходческие машины, буровые агрегаты и т.п.); столкновение или сход с рельсов вагонеток и электровозов; повреждение временных инженерных коммуникаций (водопровод, электрокабели, трубопроводы сжатого воздуха) и оборудования (компрессоры, вентиляторы, насосы) Обрушение породы; деформирование обделки; загазованность воздуха; пожары, взрывы; оледенение наружных конструкций; разрушение внутренних конструкций

Место происшествия Призабойная зона; отдельные участки готового подземного сооружения Любое место

ных полимерных покрытий, способных работать в агрессивных средах. Такие тоннели являются достаточно надежными с позиций экологической безопасности.

Ко второй категории относятся канализационные тоннели, отдельные элементы, конструкции которых выполнены из материалов, не способных длительно противостоять действию как внутренней, так и наружной агрессивной среды. Тоннели данной категории являются экологически неблагонадежными.

К третьей категории относятся канализационные тоннели, конструкции которых выполнены из материалов, способных достаточно длительно работать в нормальных неагрессивных средах, не требующих специальных мероприятий защите от их воздействия.

Аварийная опасность определяется также вероятностью «отказа» подземного объекта.

Отказ подземного сооружения может произойти в результате широкого спектра причин, связанных, в основном с недостаточной изученностью системы взаимодействия коммунального тоннеля и массива вмещающих пород, как элементов искусственной экосистемы и недоучетом на стадии проектирования следующих основных моментов:

• • наличия геотехнических

аномалий в данном районе;

• • пересечения трассой тоннеля крупных водоносных горизонтов;

• • высокой водонепроницаемо-

сти отдельных пластов породы;

• • резких перепадов горного

давления;

• • сильной выветрелостью и

рыхлостью пород.

Примером аварий, происшедших в результате недоучета ряда факторов на стадии проектирования и непрофессионального подхода к характеру взаимодействия в сложной многофакторной системе «коммунальное сооружение - массив горных пород -окружающая среда - технология» могут служить следующие случаи. Наиболее характерный случай - это провал на земной поверхности размером в плане 20x30 м, образовавшийся при проходке коллекторного тоннеля глубокого заложения по ул. Б.Дмитровка от театра Оперетты до страстного бульвара. В тоннель было вынесено

около 2500 м водогрунтовой массы, заполнившей всю проеденную его часть длиною 245 м. Глубина зеркала воды в воронке составляла около 4 м. Причиной прорыва явилось неблагоприятное сочетание ряда негативных факторов, которые включали: необнаруженное в процессе инженерногеологических изысканий узкое до-четвертичное переуглубление с врезом в толщу водонепроницаемых глинистых пород; недостаточная толщина не нарушаемого при разработке разделяющего слоя водоупорных пород; проливные дожди, прошедшие накануне, повлиявшие на масштабы аварии; разрушение ливневой канализации и водопровода, приведшее к резкому ухудшению гидрогеологической ситуации на аварийном участке.

Примером такого же рода за рубежом является авария в Париже. Канализационный тоннель в Париже строили в глинах и меловых отложениях щитовым способом с установкой первичной обделки. Согласно геологическим изысканиям предполагалось, что слой глины мощностью около 4 м отделяет тоннель от водоносных аллювиальных отложений, однако оказалось, что в одном месте они залегают ниже. В результате произошло затопление строящегося тоннеля потоком воды с грунтом и частичное разрушение первичной обделки.

Отказы коммунальных подземных сооружений очень часто обусловлены воздействием подземных вод. Фильтрация воды, особенно агрессивной, через тело обделки может вызвать выщелачивание цементного камня, растворение и вымывание частиц грунта и образование пустот за обделкой, что способствует обрушению грунта.

Примером воздействия подземных вод является авария на участке коллектора для инженерных коммуникаций Краснопресненского выставочного комплекса. Она связана с выносом частиц вмещающих грунтов в сооружение и появлением неравномерных, все увеличивающихся просадок участков тоннеля. На отдельных участках осадки лотка доходили до 10 см. Деформации привели к образованию новых трещин и дополнительному выносу песка. На участке тоннеля длиной 460 м на поверхность лотка было намыто около 200 м3 песка. Для лик-

видации аварийной ситуации осуществлялись следующие работы:

1. заделка трещин обделки, где наблюдался водоприток и вынос грунта;

2. тампонаж заобделочного пространства, укрепление грунтов оснований;

3. установка буронабивных свай.

По фактору агрессивности наиболее восприимчивыми к отказам являются коллекторные тоннели. Поэтому при расчете межремонтного периода этих сооружений наработку на отказ определяют именно по фактору выщелачивания:

. Ц [СаО \св^

Ічас

Нв ЖфС

(1)

где иас - время выщелачивания гидроокиси кальция до разрушения бетона, час; Ц - расход цемента на 1 м3 бетона, кг; СаО - содержание окиси кальция в портландцементе, %; гсв -диаметр тоннеля в свету, м; с1 - толщина обделки, м; Кф - коэффициент фильтрации, м/с; С - концентрация СаО в фильтрате, кг/м3.

Разрушение обделки может быть связано с воздействием агрессивных факторов или выносом грунтовых частиц через обделку - последствия одинаковы - над тоннелем в пределах призмы обрушения, возникает грунтовый свод над пустотой. Разрушение его под воздействием вышележащих грунтовых масс или временных нагрузок от транспортных средств приводит к полному разрушению обделки за счет падающего грунтового столба и отсутствия бокового отпора. Последнее обстоятельство объясняется размывом грунта в заобделочном пространстве канализационной жидкостью и фильтрацией грунтовых вод. Это сопровождается мгновенным образованием воронки на поверхности.

Вследствие суффозии грунтов многократно происходили аварии коммунальных тоннелей в Киеве, Харькове, Воронеже и др. городах. В нижнем Новгороде по этой же причине вышел из строя тоннель длиной более 3 км, прослуживший всего 5 лет.

Отказ подземных сооружений может быть обусловлен наличием за-карстованных грунтов, содержащих обводненные карстовые полости, точные размеры и места расположения которых по данным инженерно-

геологических изысканий определить практически невозможно.

Описанные случаи отказов коммунальных тоннелей - это лишь немногие из тех, которым подвержены подземные сооружения города. Но уже эти немногочисленные примеры наглядно показывают, насколько велика система взаимодействия подземных объектов с окружающей средой. Малейшее вмешательство в породный массив влечет за собой изменение состояния конструкций объектов и, наоборот, состояние конструкций, технология производства работ и другие факторы могут оказывать негативный эффект на всю природную экосистему. Поэтому недооценка характера этого взаимодействия влечет за собой аварийные ситуации и даже, при неправильном подходе, формирование зон экологического бедствия целых регионов, как уже произошло в ряде горнопромышленных районов.

Аварии в коммунальных подземных сооружениях обусловлены комплексом причин, совокупность которых и определяет характер и степень опасности аварийной ситуации.

3) по причинам возникновения:

Несмотря на то, что аварии в строящихся и эксплуатируемых подземных сооружениях проявляются по-разному, основные причины их возникновения одни и те же и подразделяются на следующие.

1. Ошибки, вызванные недостаточной квалификацией или небрежностью в работе изыскателей, проектировщиков, строителей, эксплуатационников:

а) ошибки при изысканиях проистекают в основном из-за неполного объема разведочных работ и геотехнических исследований и неадекватной оценки геотехнической ситуации.

б) ошибки при проектировании связаны с принятием неудачных конструктивных и технологических решений, несоответствием расчетных схем несущих конструкций подземных сооружений действительным, нарушением нормативных требований;

в) ошибки при эксплуатации заключаются в недостаточном и несвоевременном проведении обследований дефектов строительных конструкций, ремонта и реконструкции выработок подземного объекта, в нарушении режимов вентиляции, освещения, водо-

отлива, правил безопасной эксплуатации.

2. Нарушения режимов, норм и параметров, установленных нормативной документацией.

3. Нарушения технологических процессов по строительству и эксплуатации тоннелей.

4. Несвоевременное проведение осмотров, ремонтов.

5. Конструктивные недостатки и недостаточная надежность оборудования, несоответствие оборудования и материалов требованиям ГОСТ.

В ряде случаев причинами аварий в тоннелях могут служить стремление к максимальной экономии и прибыли, неоправданное повышение скорости строительства, агрессивность окружающей среды, недостаточная согласованность между строителями, проектировщиками, эксплуатационниками.

6. Стихийные природные явления (землетрясения, лавины, наводнения и др.).

Анализ показывает, что подавляющее большинство аварий в строящихся и эксплуатируемых тоннелях обусловлено недостаточным учетом или неверной оценкой природных и техногенных факторов. В свою очередь, аварии в строящихся и эксплуатируемых коммунальных подземных объектах приводят к неблагоприятным экологическим последствиям, проявляющимся в нарушении устойчивости породного массива, осадках дневной поверхности, повреждениях наземных и инженерных коммуникаций, загазованности и задымленности воздушного бассейна, повышении уровня шума и вибрации на прилегающей к подземному сооружению территории. Таким образом, не только природные и техногенные факторы оказывают влияние на состояние подземных сооружений, но и сами коммунальные подземные сооружения способны негативно воздействовать на окружающую среду, вызывая, порой, необратимые явления и техногенные катастрофы.

Поэтому необходимо взаимоувязывать процессы строительства и эксплуатации коммунальных тоннелей с устойчивостью городской окружающей среды и экосистемой в целом. Это возможно только при комплексном подходе к оценке экологического

состояния системы «коммунальное подземное сооружение - окружающая среда» и разработке соответствующих мероприятий инженерной защиты.

В настоящее время для предупреждения возможных аварий в коммунальном подземном строительстве применяют следующие мероприятия инженерной защиты:

1. профилактические;

2. активные, которые, в свою очередь, подразделяются на:

> первоочередные;

> долговременные.

К профилактическим мерам относятся:

• систематические плановопредупредительные осмотры, ремонт конструкций;

• обеспечение плотного контакта обделки с грунтом путем нагнетания тампонажной смеси;

• устройства внутреннего или заобделочного дренажа для отвода грунтовых вод;

• стабилизация неустойчивых грунтов химическим закреплением;

• антикоррозионное покрытие элементов конструкций;

• контроль за концентрацией газов с установлением соответствующего режима вентиляции;

• оборудование противопожарного контроля и пожаротушения.

К основным первоочередным мероприятиям по ликвидации аварий относят:

• установление причин аварий;

• постановка на образовавшиеся в конструкциях трещины контрольных маяков;

• в случае поступления грунтовых вод через обделку тоннеля: подвеска водоотводящих коробов или дренирование их в трубки с отводом в дренажный лоток;

• в случае выноса грунта в за-обделочное пространство: проверка состояния земной поверхности над тоннелем; установка фильтров или заделка мест фильтрации;

• в случае поступления в тоннель горючих или ядовитых веществ: выявление вероятного источника; при необходимости оповещение владельцев этих источников (трубопроводов, емкостей и

т.п.); ликвидация и организация отвода горючего от оборудования; не допускать применения открытого огня и курения; очистка тоннельных конструкций от отложившихся горючих веществ;

• при возникновении пожара или задымления в тоннеле: принятие мер к ликвидации пожара; исследование тоннельной обделки с целью выявления ее ослабления;

• при сильных коррозионных повреждениях несущих конструкций: выявление возможных причин и степени коррозионного повреждения; первоочередные работы по ликвидации источников коррозии; временное усиление деформирующейся обделки;

• при аварии, связанной с работами сторонних организаций в районе заложения тоннеля: запре-

щение ведения дальнейших земляных работ на поверхности земли с обратной засыпкой и уплотнением грунта.

К основным долговременным мероприятиям по ликвидации аварийных ситуаций относятся:

• в случаях нарушения целостности конструкций тоннелей, сверхдопустимой эллиптичности колец обделки, сильных коррозионных повреждениях несущих конструкций тоннеля: усиление обделки согласно специальному проекту; инъекционного упрочнение породы за обделкой; детальное обследование дефектных участков с разработкой защитных мероприятий;

• в случаях нарушения водонепроницаемости тоннеля, выноса грунта: ликвидация обводненности согласно специальному проекту; закрепление вмещающего массива

горных пород; устройство дренирования заообделочных вод внутрь тоннеля с помощью трубок или шлангов; устройство водопониже-ния;

• в случае поступления через тоннельную обделку горючих веществ (бензина, керосина, нефти, газа и т.п.): проведение работ, направленных на исключение поступления горючих и ядовитых веществ и газа через обделку; ликвидация источников поступления;

• в случае возникновения пожара и задымления в тоннеле: детальное обследование тоннельных конструкций, подвергшихся влиянию высоких температур; разработка защитных мероприятий; при необходимости - усиление дефектного места или участка тоннеля.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Власов С.Н., Маковский Л.В., Меркин В.Е. Аварийные ситуации при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей и метрополитенов. - М.: ТИМР, 1997, 180 с.

2. Мазур И.И., Молдованов 0.И., Шишов В.Н. Инженерная экология. - М.: Высшая школа, 1996, 637 с.

3. Моисеенко А. Столица уходит под землю - в газ. «Комсомольская правда», от 22.02.2001, с.3

4. Труды III Всемирного конгресса по экологии в горном деле. - М.: ННЦГП ИГД им. А.А.Скочинского, 1999, 420 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Куликова Елена Юрьевна - доцент кафедры «Инженерная защита окружающей среды», докторант кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт», Московский государственный горный университет.