CC BY
54
ЭКОЛОГИЯ
© Е.Ю. Куликова, 2001
УДК 581.5:622.8:69.035.4
Е.Ю. Куликова
ОЦЕНКА РАБОТЫ КОММУНАЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ С ПОЗИЦИЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
К
оммунальные тоннели призваны, прежде всего, сократить отрицательное воздействие техногенной деятельности на окружающую городскую среду. Однако очень часто в практике подземного строительства технологические процессы, связанные со строительством и эксплуатацией коммунальных тоннелей, становятся основными факторами возникновения экологического риска. Так, авария на Люберецких очистных сооружениях привела к заражению близлежащей местности и на много лет создала благоприятные условия для развития болезнетворных бактерий и вспышек эпидемий, казалось бы, отживших уже болезней: тифа, паратифа, холеры и т.п. Прорыв канализационных тоннелей в Борисовские пруды вывел из строя зону отдыха и создал экологически неблагоприятную обстановку в районе. Аварии в системах канализации Орла неоднократно приводили к заражению вод р. Оки, охватывая территории нескольких областей Центра России. Пляжи курортных черноморских городов постоянно подвергаются загрязнению стоками, катастрофически повышают зараженность прибрежных вод [3].
Можно выделить несколько наиболее типичных техногенных воздействий на окружающую среду при строительстве коммунальных тоннелей, влияющих на экологиче-
скую безопасность освоения подземного пространства в данном регионе.
1. Геомеханические нарушения земной поверхности и массива горных пород (оседание и провалы земной поверхности, образование воронок, деформация массива горных пород, обрушение пород и т.п.).
2. Изменение режима подземных вод. Это связано с понижением горизонта грунтовых вод, изменением режима и направления потоков, усилением или замедлением динамики вод; образуются де-прессионные воронки, способствующие провалам и оседаниям земной поверхности. В конечном итоге, подобные явления коренным образом изменяют всю экосистему подземного пространства. Примером может служить Царицынский парковый комплекс. Изменение режима стока подземных вод к Царицынским прудам в 80-х годах вызвало оползень канализационного коллектора и выхода на многие годы из строя зоны отдыха прилегающих районов. Заражение окружающей среды фекальными массами потребовало чрезвычайных мер по погашению вспышек холеры и других эпидемических вспышек.
Особо опасным проявлением изменения режима подземных вод является прорыв водных масс в выработки и их затопление. Примером прорыва водных масс и затопления коммунального тоннеля может являться строительство канализационного тоннеля в Париже [2]. Тоннель
строили в глинах и меловых отложениях щитовым способом с установкой первичной обделки. Предполагалось, что тоннель отделен от водоносных аллювиальных отложений слоем глины мощностью около 4 м, однако оказалось, что на одном из участков они залегают ниже. Таким образом, из-за недостаточной изученности района строительства и ошибок в прогнозе расположения водоносных структур произошло затопление тоннеля потоком воды с грунтом и частичное разрушение первичной обделки.
3. За счет вышеописанных явлений изменяется система переноса вещества, химического взаимодействия, происходит растворение и разложение субъектов массива горных пород, что, в свою очередь, приводит к изменению состава и свойств грунта, провалам, просадкам, выделениям вредных веществ, усилению процессов коррозии и иных видов разрушения самих подземных сооружений. Это способствует их быстрому выходу из строя и требует значительных финансовых и материальных затрат на ремонтно-восстановительные работы.
4. Изменение минералогической структуры грунта приводит к изменению электрических полей в подземном пространстве и порождает появление блуждающих токов. Так как подземные воды являются наиболее подвижным элементом системы «подземное сооружение - массив горных пород», активно реагирующим на любое техногенное вмешательство, то строительство подземных объектов сопровождается интенсификацией фильтрационных электрических полей.
Возникновение электрического поля в массиве горных пород, как правило, сопровождается изменением биологической составляющей, которая находит выражение в следующих основных моментах:
• усиливается биологическая коррозия сооружений;
• происходит заражение массива вмещающих подземный объект пород болезнетворными организмами, что, в первую очередь сказывается на качестве воды и здоровье населения.
Определенная часть подобных негативных эффектов учитывается при проектировании, однако, отсутствует комплексная оценка строительства с позиций экологии в его взаимодействии с ранее пройденными выработками, подчас уже забытыми. Неудивительно, что основной процент аварий приходится на старые районы города, где подземное строительство затрагивает забытые, отслужившие свой срок коммуникации.
5. Прорывы коммуникаций и миграция загрязняющих веществ в окружающую среду.
Истощение водоносных горизонтов за счет утечек из канализационных тоннелей и теплофикационных сетей. Процессы экс-фильтрации загрязненных вод из коммунальных тоннелей - неизбежное следствие применяемых конструктивных решений любых водонесущих коммуникаций вне зависимости от способа их строительства. Основной причиной эксфильтрации является несовершенство существующих обделок и гидроизоляции тоннелей.
Наиболее серьезными в плане экологии являются последствия при расположении канализационных тоннелей в сухих водопроницаемых грунтах, которые могут быть гидравлически связаны с безнапорными водоносными горизонтами.
При эксплуатации коммунальных тоннелей определенную опасность по отношению к водной среде представляет сброс дренажноаварийных стоков при прокладке напорных трубопроводов хозяйственно-фекальной и промышленной канализации. Незначительные загрязнения грунтового массива и
подземных вод происходит в период строительства за счет утечек различных масел из гидросистем проходческих щитов, комбайнов и других машин. Степень влияния этого фактора нуждается в обязательном изучении.
6. Развитие суффозионных явлений, плывунов и псевдопывунов.
Суффозный вынос может вызвать разрушение обделки тоннеля. При этом над тоннелем в пределах призмы обрушения возникает грунтовый свод над пустотой с его последующим разрушением под воздействием вышележащих грунтовых масс или временных нагрузок от транспортных средств. Полное разрушение обделки происходит за счет падающего грунтового столба и отсутствия бокового отпора. Отсутствие бокового отпора, в свою очередь, связано с размывом грунта за обделкой текущей канализационной жидкостью и фильтрацией грунтовых вод. Этот период разрушения обделки коммунального сооружения совпадает с образованием воронки на земной поверхности. Вынос обводненного песка в процессе строительства влечет за собой осадку тоннелей, величина которой может достигать десятки сантиметров.
Нарушения земной поверхности в этом случае могут усугубляться в результате беспорядочной длительной откачки грунтовых вод из тоннеля. Так, подобная многомесячная откачка воды в Таллинне на одном из тоннелей привела к образованию вытянутой воронки на поверхности, при этом величина осадки тоннеля составила более 1 м при диаметре тоннеля в свету 1,8 м. Эта ситуация поставила под угрозу ввод в эксплуатацию канализационного комплекса всего города. В качестве выхода из сложившейся ситуации была предложена замена закрытой технологии проходки тоннеля открытой - из котлована.
7. Оползневые явления. При прокладке коммунальных тоннелей в условиях гористой или равнинной местности, изрезанной глубокими оврагами, всегда существуют предпосылки к приведению их в состояние неустойчивого равновесия при подрезке склонов. Наличие значительных объемов неустойчивых породных масс в дождливое время года способствует развитию деформации склонов вместе с находящимися вблизи наземными объектами.
Примером нарушения экологического баланса при подрезке коммунальными тоннелями склонов оврагов может служить следующая ситуация. При эксплуатации одного из канализационных тоннелей Волгограда, расположенного в откосе оврага в массиве, сложенном сухими суглинками, произошло обрушение откоса вместе с тоннелем. В результате произошло очень опасное загрязнение окружающей среды: во-первых, утечка канализационных стоков, во вторых, переход лессовых пород в текучее состояние и образование плывуна.
8. Деградация растительных покровов (очень малый процент в связи с малым отчуждением земель и срезанием плодородного почвенного слоя перед началом горно-строительных работ).
9. Загрязнение атмосферы города ядовитыми веществами и взрывными газами. Плотность застройки мегаполисов и характер размещения предприятий вблизи жилых кварталов способствуют снижению безопасности подземных и других сооружений при их эксплуатации и чрезвычайных ситуациях (ЧС). В таком крупном городе, как Москва, находится 66 химически опасных и до сотни взрыво- и пожароопасных объектов, на большинстве производств используют сильнодействующие ядовитые вещества: хлор, аммиак и т.п.
Системы рабочей, аварийной и противодымной вентиляции соби-
рают вредные вещества на большой площади подземных объектов и локально выбрасывают их на поверхность. При пожарах, авариях и других чрезвычайных ситуациях в зоне выброса предельная концентрация вредных веществ может превышать ПДК в сотни раз, что повышает вероятность крупных ЧС. Статистика показывает, что ЧС в подземных сооружениях могут сопровождаться быстрым увеличением температуры среды, плотности дыма, концентрации токсичных газовоздушных смесей. Большое тепловыделение приводит к резким перепадам плотности воздуха, интенсивному распространению токсичных газовоздушных смесей в вертикальном и горизонтальном направлениях, как в подземных пространствах, так и на поверхности. Наибольшую опасность для людей при ЧС представляют дым и содержащиеся в нем токсичные газовоздушные смеси, в которых может содержаться до 70 токсичных соединений. Токсичные газовоздушные смеси могут образоваться не только при пожарах в коммунальных подземных сооружениях, но и при утечке аммиака из холодильных установок, утечке хлора в хлораторных помещениях водоочистных сооружений и т.п.
10. Шумовое и вибрационное воздействие на атмосферу.
Причинами возникновения экологического риска при применении существующих в настоящее время технологий строительства коммунальных тоннелей являются следующие ошибки.
1. Ошибки при изысканиях, связанные с неполнотой или неадекватностью разведочных исследований.
2. Ошибки при выборе технологии или способа ведения работ в данном районе.
3. Несовершенство горнопроходческой техники и технологии ведения работ.
4. Нарушение паспорта крепления забоя. Отклонение крепления
забоя от паспортных норм, особенно в зоне действия наземных нагрузок, может приводить к значительным обрушениям поверхности.
Примером может служить ситуация в Улан-Удэ, когда при устройстве сопряжения канализационного тоннеля с шахтным стволом в галечниках произошло обрушение небрежно закрепленного забоя. Обрушение произошло вследствие динамических нагрузок, вызванных движением железнодорожного транспорта. При проходке коммунального тоннеля щитом диаметром 4 м под железнодорожными путями на станции Аксарайская-1 вследствие нарушения паспорта крепления забоя произошел провал земной поверхности с образованием воронки. В результате движение поездов было остановлено.
5. Недостаточная герметизация несущих конструкций.
6. Нарушение технологических режимов и качества применения специальных способов строительства. Потенциальную экологическую опасность создает строительство подземных сооружений специальными способами. Действующие подземные объекты могут представлять опасность при вымывании подземными водами, обтекающими контур сооружения, и последующей миграции вредных компонентов из материалов гидроизоляции и химического укрепления грунтов. При этом опасность загрязнения тем драматичнее, что выделение токсических компонентов происходит постепенно и усугубляется по мере «старения» сооружения. Более подробно негативное влияние от применения специальных способов на окружающую среду с точки зрения экологии рассмотрено в последующих параграфах.
7. Ошибки в решениях по применению специальных работ.
8. Недоучет взаимосвязи между инъекционным материалом и составом грунтового массива,
грунтовых вод, их агрессивностью и минерализацией. Использование ранее неизвестных материалов для гидроизоляции и ремонта, которые не исследовались на предмет взаимодействия с характерными для данного района составом почв, пород, степенью минерализации и составом грунтовых вод. Характерным примером является ситуация в районе станции «Полежаевская», где для ликвидации последствий аварии находящегося рядом коллекторного тоннеля в массив горных пород было закачано значительное количество карбамидной смолы. Отсутствие увязки сведений о составе агрессивных компонентов вод с материалом химического укрепления и с характером миграции подземных вод, содержащих сернистые соли, привело к достаточно быстрому расщеплению карба-мидной смолы с образованием мочевины и формалина. О вреде этих компонентов на окружающую среду нет необходимости говорить.
9. Несоблюдение режима проведения водоотлива.
10. Недоучет наличия близлежащих инженерных коммуникаций и плохой инженерный расчет зоны их влияния. Например, прорывы в коммунальные тоннели в результате их подработки строящимися выработками могут возникнуть вследствие небрежного отношения к старым коммуникациям при строительстве новых подземных сооружений, недостаточности топографических исследований и неправильном выборе технологии ведения работ.
Примером такой небрежности и непрофессионализма является авария в Самаре в 1980 г. [3]. В процессе проходки щитом (ПЩ-3,2) Главного Волжского тоннеля забоем был подработан выше расположенный канализационный тоннель постройки 1913 г. с обделкой из кирпича с расходом канализационных стоков 3,5 м3/с. Ранее пройденный тоннель длиной
3 км был затоплен. На поверхности образовалась воронка диаметром более 30 м и глубиной более
13 м. В откосах воронки обнажились газопровод среднего давления диаметром 600 мм, кабели электроснабжения и связи. Потребовалось более двух недель на поиск и реализацию способов отвода стоков. В условиях сильных морозов удалось лишь пробить траншею в мерзлых грунтах через ряд улиц и сбросить стоки в р. Волгу. Тем самым был нанесен значительный вред как хозяйству города, так и окружающей среде.
11. Несоблюдение правил технической безопасности и промышленной санитарии.
12. Несовершенство улавливания и отвода вод, поступающих в тоннель вследствие ливневых дождей и обильного снеготаяния. Прорывы в коммунальные тоннели дождевых и талых вод возникают, в основном, за счет недостаточного оснащения улиц системами дождевой и ливневой канализации с хорошими сточными выходами на поверхности, а также в результате плохой изоляции тоннельной обделки.
Примером подобной ситуации могут являться аварии в Таллинне и в Оренбурге [2]. В середине 70-х годов в результате ливня произошел прорыв поверхностных дождевых стоков и песчаной пульпы в тоннель, пройденный на глубине
12 м. Обделка тоннеля в месте прорыва была полностью разрушена, и образовалась воронка размером 300 м2 глубиной до лотка тоннеля. Сотни кубометров песка полностью заполнили тоннель.
В Оренбурге в результате ливневых дождей был полностью затоплен водогрунтовой пульпой тоннель длиной 800 м. Тоннель был пройден в устойчивых сухих суглинках на глубине 6 м. Пульпа прорвалась через траншеи теплотрассы, проложенной перпендикулярно оси тоннеля. Для ликвидации последствий аварии потребовалось более двух месяцев.
В 1991 г. в Костроме проникновение дождевых и талых вод в грунтовый массив строящегося тоннеля через водопонизительную скважину, верхняя колонна которой не была зацементирована, вызвало образование провальной воронки на транспортной магистрали.
13. Неудовлетворительное состояние действующих коммунальных подземных сооружений усугубляется отсутствием достаточного финансирования на их содержание, ремонт или консервацию уже проложенных, но еще не введенных в эксплуатацию объектов. Вследствие отсутствия материальных и финансовых средств, в заброшенном или замороженном состоянии находятся многие наземные и подземные коммунальные тоннели, крепление или ремонт которых не проведены на надлежащем уровне. Так как подземные сооружения городского типа закладываются, как правило, в неустойчивых, обводненных грунтах, при наличии агрессивных компонентов в грунтовых водах, то оснащение подземных помещений временными крепежными элементами при замораживании строительства на неопределенно долгое время, может представлять экологическую опасность и аварийность.
14. Не последнюю роль в ухудшении экологии подземного пространства и в целом в экологии города играет недооценка состояния подземных коммуникаций. Многие городские трубопроводы
Таблица 1
РАЗНОВИДНОСТИ ТЕКУЧЕГО ВЕЩЕСТВА ИЛИ ГОРНОЙ МАССЫ, ВЫЗВАВШИЕ АВАРИИ
Текучее вещество Аварии Всего
под землей на поверхности число %
число % число %
Воды:
грунтовые; 9 16 2 4 11 20
из коммуникаций; 8 14 7 12 15 26
ливневые или паводковые; 1 2 8 14 9 16
плывуны или пульпа 12 22 - - 12 22
9 16
Текучий грунт (горная масса) 8 14 1 2 9 16
Итого 38 68 18 32 56 100
находятся практически в аварийном состоянии. Так, из 669 тыс. км городских подземных трубопроводного, водопроводно-
канализационного и теплоэнергетических хозяйств такого крупного города, как Омск, 306 тыс. км требуют замены, 55 тыс. км находятся в аварийном состоянии. Помимо химического и биологического загрязнения утечки из подобных трубопроводов создают тепловое загрязнение окружающей среды. Холодная вода, поступающая зимой в здания с температурой 5-7 °С, стекает в канализацию при температуре 20-30 °С, т.к. нагревается в трубопроводах, бачках, водяных затворах, при смешивании с горячей водой. Поступая в подземный сток, такая вода создает
тепловое загрязнение водоемов, изменяя режим фильтрации и уничтожая флору и фауну.
Особую актуальность приобретает эта проблема в городах, где утечка газа из разрушенных газопроводов является причиной многих аварий и ухудшения экологической обстановки.
Это лишь некоторые факты, которые необходимо учитывать при выборе технологий строительстве подземных коммунальных сооружений. Многие выводы дополнительно можно сделать из приведенных таблиц 1, 2, 3 [2]. Данные табл. 3 наглядно свидетельствуют об отсутствии соотношения числа аварий с неизученным характером взаимодействий экосистемы «подземное сооружение - массив горных пород -
окружающая среда». Не приходятся ли эти аварии на строчку «Другие или не установленные причины»?
Как следует из представленного анализа, во многом неблагоприятная с позиций экологической безопасности работа коммунальных тоннелей связана с недостатками технологических приемов и способов их строительства, т.е. теми техногенными воздействиями на массив горных пород и окружающую среду, которые наносят последней наибольший вред. Поэтому необходимо составить более широкое представление о влиянии технологий и способов строительства коммунальных тоннелей на окружающую среду.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бессолов П.П. Современные направления использования подземного пространства. - М.: Недра, 1989.
2. Власов С.Н., Маковский Л.В., Меркин В.Е. Аварийные ситуации при строительстве и эксплуатации транспорт-
ных тоннелей и метрополитенов. - М.: ТИМР, 1997, - 180 с.
3. Мазур И.И., Молдованов 0.И., Шишов В.Н. Инженерная экология. - М.: Высшая школа, 1996, - 637 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
_______________________________________________________________________6}
Куликова Елена Юрьевна — доцент, кандидат технических наук, докторант кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт», Московский государственный горный университет.
