630

Каждой категории сложности соответствуют горнотехнические характеристики, допустимое время обнажения грунтов, способы проходки и виды крепи.

I категория (благоприятные условия): горизонтальная или слабонаклонная (до 5°) слоистость слаботрещиноватых малообводненных грунтов крепостью f = 5, отсутствие тектонических нарушений. Неблагоприятные инженерно-геологические и гидрогеологические явления практически отсутствуют, для осушения выработок достаточно устройство зумпфов для сбора и откачки воды.

II категория (ограниченно благоприятные): имеются лишь локальные складчатые дислокации (синклинальные, антиклинальные, моноклинальные), массив сложен скальными трещиноватыми обводненными грунтами средней прочности с коэффициентами крепости f = 3...5 с водопритоком 0,5...5,0 м3/ч. Горное давление незначительно, на отдельных участках возможны небольшие вывалы. В качестве защитных мероприятий рекомендуются понижение уровня подземных вод, предварительное тампонирование грунтов.

III категория (малоблагоприятные условия): широкое развитие разрывных тектонических дислокаций, массив сложен полускальными и сильнотрещиноватыми скальными грунтами с коэффициентом крепости f < 3 и высоким водопритоком — 5...50 м3/ч, горное давление значительно, возможны многочисленные вывалы; при проходке необходимо применять химическое закрепление, замораживание грунтов.

IV категория (неблагоприятные условия): зоны тектонических разломов и нарушенных грунтов, массив сложен раздробленными грунтами, плывунами, обводненность очень высокая с водопритоком более 50 м3/ч, горное давление значительное, возможны прорывы водогрунтовых масс в выработку; проходка

втаких условиях представляет наибольшие сложности.

1.5.Причины аварий в тоннелестроении

Причинами аварий в тоннелях считают [25–30]: ошибки при изысканиях, проектировании или строительстве, нарушения режимов, норм и параметров безопасности, несвоевременное и некачественное проведение осмотров и ремонтов, недостаточную надежность оборудования и систем жизнеобеспечения и др. (табл. 1.15).

41

Таблица 1.15

Классификация причин аварий в тоннелестроении

Обрушения грунта и крепи в горных выработках (далее – обрушения выработок) происходят при достижении крепью пределов напряженно-деформированного состояния из-за возрастания горного давления, ослабления сцепления между частями грунтового массива. Обрушения могут вызвать кратковременные техногенные воздействия (механические, гидравлические, взрывные), часто связанные с нарушениями технологий проходки, природные воздействия — продолжительные (температура, обводнение, выветривание) или кратковременные (подземные толчки, горные удары, выбросы грунта или газа, землетрясения). Причинами обрушения могут также стать изменение уровня грунтовых вод, возгорания и пожары, вывалы из забоя валунов и др. Наибольшая опасность обрушения возникает при проходке тоннелей в малосвязных обводненных грунтах.

Причинами прорыва водогрунтовых масс в выработки могут стать повышение гидростатического давления из-за наводнений на поверхностных водотоках, сейсмических и других воздействий, изменения режима или уровня грунтовых вод. Главными из техногенных причин прорывов воды в подземные выработки являются: отставание или нарушение паспорта крепи; недостаточная эффективность или нарушение работы устройств водоот-

42

вода, водоотлива и дренажа; нарушение технологических режимов производства горнопроходческих работ в незакрепленной зоне забоя; внезапное вскрытие забоем различных геологических нарушений (размывов, карстовых полостей, участков с отсутствием сплошности водоупорных слоев).

Наиболее вероятными местами прорыва воды в выработки являются: для горных тоннелей – разломы и сбросы (тектонические нарушения грунтового массива); для подводных и городских тоннелей – размывы (бывшие русла рек или зоны техногенного подтопления) и рампы при сильных ливнях или наводнениях. Наибольшая угроза прорыва воды в выработки из расположенных выше водоемов, водоводов или водопроводных систем возникает при разрушении целиков грунта либо через шурфы и другие существующие выработки. Основными факторами изменения режима подземных вод городских тоннелей являются близкое расположение водоносных горизонтов, водоемов и дренажных сооружений, утечки из водопроводящих магистралей, подтопление территорий и др. При проходке подводных тоннелей возможно проявление специфических факторов в виде наличия слабых грунтов или зон переуглубления дна, напорных водоносных горизонтов, восходящих выходов подземных вод. Важными при этом являются гидрологические характеристики водотока (характер течения, характеристики ледового режима и пр.). Строительство тоннеля может нарушить природную гидродинамику водоема, что приводит к активизации некоторых процессов (размыв, заиливание и т. д.).

Прорывы водогрунтовых масс в выработки чаще всего проис-

ходят в неустойчивых водонасыщенных грунтах, при проходке ниже расположения линз грунтовых вод в условиях повышенного гидростатического давления, в закарстованных грунтовых массивах, в тектонических разломах сейсмически активных зон. Воздействие сейсмических колебаний на массив способствует изменению физико-механических характеристик грунтов: уменьшаются их прочность и силы сцепления, возникают микротрещины, увеличиваются плывунные свойства. В обводненных грунтах возможно возникновение гидравлических ударов, выбросов, пульсации и фонтанирования воды. При проходке тоннелей на больших глубинах водоприток даже в грунтах с низкой водопроницаемостью (Кф = 10–6 см/с) может быть значительным, а гидростатическое давление на глубине 1000 м может достигать 10 МПа. Пожары в строящихся тоннелях возникают в большинстве случаев в результате воспламенения горючих мате-

43

риалов (прежде всего – углеводородного сырья) из-за короткого замыкания или неисправности электрооборудования, пользования открытым огнем и других причин.

1.6. Вредные воздействия строительства тоннелей на окружающую среду

Во время строительства тоннелей вредные воздействия на окружающую среду заключаются в химическом загрязнении сбросами, отходами строительной деятельности, во время эксплуата-

ции – химическом загрязнении за счет извлекаемых недр. Основ-

ными загрязняющими веществами, поступающими при строительстве тоннелей в окружающую среду, являются: для атмосферного воздуха – диоксид серы, окислы азота, оксид углерода, взвешенные вещества; для почв – нефтепродукты, тяжелые металлы (медь, цинк, свинец, никель); для водоемов и грунтовых вод – взвешенные вещества, тяжелые металлы, марганец, железо, нефтепродукты. Негативные последствия аварийных ситуаций для окружающей природной среды и населения выражаются в загрязнении почв, поверхностных вод и атмосферы в результате испарения летучих органических соединений, поражении персонала и населения в зоне аварии. Основные природоохранные меры, направленные на снижение негативных факторов при строительстве тоннелей, представлены в табл. 1.16.

Не менее негативным может оказаться влияние строительства тоннелей на инженерно-геологическую среду. Оно проявляется при увеличении трещиноватости, изменении напряженного состояния грунтового массива (особенно при взрывной технологии) и режимов движения грунтовых вод, при нарушении природного равновесия подрезкой и пригрузом склонов при строительстве портальных сооружений – в развитии негативных геотехнических процессов. При непринятии эффективных защитных мер последствия могут оказаться катастрофическими, особенно в случае проявления аварий.

44

Таблица 1.16

Факторы воздействия на окружающую среду в период строительства тоннелей и природоохранные мероприятия

3Влияние сброса дренажПроведение мероприятий, препятствующих ных вод от строительпопаданию загрязненных нефтепродуктами

4Влияние сброса хозяйОчистка хозяйственно-бытовых стоков в ственно-бытовых стоков сооружениях биологической очистки в водоемы и водотоки

Выводы к главе 1

Главную опасность при строительстве тоннелей создают природные факторы – неблагоприятные инженерно-геологические и гидрогеологические условия, агрессивные среды и пр. Опасность существенно возрастает при их проявлении совместно с

45

сейсмическими, геотермическими и другими природными воздействиями. Но всегда степень проявления природных факторов (как отдельных, так и их сочетаний) зависит от применяемых технологий и оборудования, должна оцениваться на стадии изысканий и проектирования, корректироваться в ходе проходческих работ. Соответственно воздействие на окружающую среду также должно оцениваться на стадии проработки проектных решений и разработки проектов производства работ.

Контрольные вопросы к главе 1

1.По каким показателям экстремальные ситуации относят к аварии или инциденту?

2.Какие наиболее характерные аварийные ситуации по перечню РД 06-376-00 вы можете назвать?

3.Перечислите основные факторы и воздействия, приводящие к авариям в тоннелестроении.

4.Назовите основные неблагоприятные природные факторы.

5.Какие агрессивные факторы могут проявляться в подземных выработках?

6.Назовите основные химически опасные вещества (ХОВ) и аварийно химически опасные вещества (АХОВ).

7.Какие вредные воздействия на окружающую среду имеют место при строительстве тоннелей?

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СИТУАЦИЙ В

ТОННЕЛЕСТРОЕНИИ

2.1. Классификация экстремальных ситуаций в тоннелестроении

Наиболее вероятные опасные ситуации в подземных сооружениях возникают при потере несущей способности или чрезмерных деформациях крепи и окружающего грунтового массива, прорыве водогрунтовых масс, появлении в воздухе рабочей зоны опасных концентраций пылегазовых смесей с отравляющим действием или провоцирующих пожары и взрывы. Опыт подземного строительства в мире [25–80 и др.] свидетельствует, что свыше 40 % случаев аварий составляют пожары, около 30 % – прорывы водогрунтовых масс, 17 % – обрушения грунта, около 12 % связаны с загазовыванием выработок. В строящихся тоннелях аварии проявляются, как правило, внезапно, чаще всего – в ограниченной призабойной зоне. Возможные проявления экстремальных ситуаций в подземных выработках показаны в табл. 2.1.

46

Таблица 2.1

Возможные проявления экстремальных ситуаций в подземных выработках

Нарастание горного давГорный удар, обрушение грунтовых масс и креления или другие неблагопи, образование завалов, угроза жизни людей приятные горно-геологи- ческие процессы

Проникновение подземных Подтопление или полное затопление выработок вод в выработки с разрушительными явлениями, угроза жизни и здоровью людей

Проникновение токсичесВозникновение пожара или взрыв пылегазовых ких и взрывоопасных гасмесей, поражение людей, разрушение несущих зов в выработки конструкций крепи, приводящее к обрушению

или затоплению выработок

Любые аварии приводят к увеличению сроков строительства, необходимости ремонта или реконструкции сооружения, что требует дополнительных затрат. Аварии часто вызывают неблагоприятные экологические последствия, проявляющиеся в повышении загазованности и задымленности атмосферы, загрязнении прилегающей территории и пр.

2.2. Обрушения горных выработок

Обрушения грунта и крепи в тоннельных выработках (далее – обрушения выработок) являются основной формой проявления давления грунтов в форме пучения, вывалов и обширных обрушений [25–30]. Особой формой мгновенных обрушений являются выбросы грунта.

Пучение проявляется в глинистых грунтах на небольшой глубине от поверхности (в пределах 100 м), на большей глубине (100–400 м) – в аргиллитах, алевролитах и песчаниках. В этом случае пучение носит характер взламывания грунта на отдельности и может приводить к разрушению крепи.

Вывалы могут проявиться при производстве взрывов как мгновенно, так и спустя какое-то время (иногда через месяцы), в зависимости от вида и трещиноватости грунтов, мощности взрыва и др.

В зависимости от объема обрушения различают общие, местные и частичные с образованием завалов. Чаще обрушения выработок носят локальный характер. Наиболее вероятные участки обрушения показаны на рис. 2.1 .

47

а )

б )

в )

г )

Рис. 2.1. Места обрушения грунта в строящихся тоннелях:

а– в призабойной зоне; б – в зоне пересечения сброса; в – на участке временной крепи; г – у торца постоянной обделки; 1 – забой; 2 – завал; 3 – сбросовая зона; 4 – обделка тоннеля

Обрушение лба забоя на площади до 10 м2 толщиной слоя до 1,5 м может произойти при пересечении наклонных пластов под углом, близким к 90°. Разновидностью обрушения лба забоя является «стреляние» глыб грунта с поверхности забоя из-за концентрации напряжений в грунтовом массиве.

Обрушение кровли выработки в призабойной зоне может иметь место при пересечении тектонических зон, особенно при использовании БВР (вероятней всего – при производстве взрыва).

Обрушение в зоне временной крепи происходит при возраста-

нии или перераспределении горного давления из-за обводнения, образовании заобделочных пустот и пр. Разрушение кровли выработки с временной крепью, как правило, приводит к заполнению обрушившимся грунтом большей части сечения.

48

Обрушение в зоне постоянной обделки может произойти в результате землетрясений (особенно в зонах тектонических нарушений), длительного воздействия высоких температур при пожарах, в других случаях резкого возрастания или перераспределения горного давления. Наиболее характерные проявления обрушений в тоннелях, сооружаемых горным способом, показаны на рис. 2.2.

)

)

)

)

Рис. 2.2. Характерные виды разрушения крепи в тоннелях, сооружаемых горным способом:

а – вывал грунта; б – смещение грунта в основании выработки с ее опусканием; в – деформации и разрушение крепи; г – нарушение устойчивости боковых уступов с последующим разрушением лотковой части; д – разворот боковых штолен в штроссе; е – разрушение первичной обделки в местах концентрации напряжений

49

При обрушении выработок образуются открытые (с отрывом) или закрытые («глухие») завалы, зона которых может достигать десятков метров.

Открытые завалы представляют опасность для прохода людей в связи с опасностью повторного обрушения. Степень стабилизации купола вывала зависит от характеристик и характера напластований грунтов. Закрытые завалы в тоннеле (полные – с обрушением грунтов до земной поверхности и неполные – не до поверхности) или завалы переходного типа (имеющие с одной стороны вид закрытого, с другой – открытого) вызывают наибольшие сложности ведения спасательных и восстановительных работ, особенно на участках с погребенным оборудованием.

2.3. Прорывы водогрунтовых масс в подземные выработки

Прорывы воды при строительстве тоннелей, иногда с песком и обломочным материалом, либо плывунов (далее – водогрунтовых масс) вызывают подтопление или затопление выработки, образование участков заиливания, выход из строя оборудования, травмы и гибель людей [29–33]. При этом изменяется режим движения подземных вод, что может привести к обрушению грунта; вместе с водой в выработку могут проникать вредные отравляющие, пожаро- и взрывоопасные газы. Ситуации прорыва водогрунтовых масс можно иллюстрировать обобщенными характеристиками, приведенными в табл. 2.2.

Водогрунтовая масса обычно имеет отношение частиц илистого грунта к воде в диапазоне 1 : 5...…1 : 10, при котором водогрунтовый поток мало отличается от водного. Поражающими факторами при прорывах водогрунтовых масс являются переохлаждение, утопление, механические травмы. Первые два вида поражения вызываются кислородным голоданием и низкой температурой водной среды в диапазоне 2...…8 °С (см. гл. 1). В холодной воде резко увеличиваются теплопотери человека (табл. 2.3), что вызывает интенсивное охлаждение организма.

50