Использование подземного пространства

Аварийные ситуации при строительстве и эксплуатации подземных сооружений. Часть 1

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 толь ко на отдельных участках. Последствия таких аварий могут бить ликвидированы в короткие сроки.

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 не полного 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.

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 ив 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 призабойной 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 обрушение 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 тоннелепроходческих машин, вызывает 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 ведения строительных работ, работы машин и механизмов, затопления заброшенных выработок и тому подобных явлений, возможна 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 [Нестеренко, 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 [Звягильский , 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 конструкции, 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 свой ств гр унтов 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, карстово-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 антиклинальных 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 водопритоками 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 свой ств гр унтов 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 откосов, оползни и сдвиги в массиве приводят к значительным повреждениям и разрушениям порталов и припортальных участков.

Во многих случаях причиной аварии являются карстово-суффозионные 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.