Использование подземного пространства

Аварийные ситуации при строительстве и эксплуатации подземных сооружений. Часть 2

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 водонасыщенных 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-глинистых 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 м3/ч;

- средние — 100 + 500 м3/ч;

- крупные - 500 + 1000 м3/ч;

- катастрофические — более 1000 м3/ч.

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 естественный режим движения грунтовых 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 реками, 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 м( тан, 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.

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 задымленностью, 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 правило, 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 сре дств в сл учае 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.