Развитие аварийной ситуации

С 1993 года сотрудники фирмы "ДИМЕНСтест", проводившие дефектоскопию шпал на ряде участков метрополитена, неоднократно в неофициальном порядке через службу пути обращали внимание инженерно-технического звена метрополитена на появление характерных признаков разрушения конструкций тоннеля перегона: единичные щелчки "акустической эмиссии" от лопающихся швов металлоизоляции и бетона. Это внимание не было случайным: ведущие специалисты фирмы имели значительный практический опыт обследований подземных сооружений специального назначения и участия в расследованиях аварийных ситуаций, являлись авторами научных, нормативных и учебных материалов. Поскольку причиной щелчков акустической эмиссии является изменение напряженно-деформированного состояния твердого тела, для фирмы была очевидной актуальность срочного исследования этого процесса. Фирма предлагала услуги по оценке напряженного состояния обделки. Получала отказ. Для официального обращения с заявлением об опасности наблюдавшихся явлений юридических оснований не было.

С декабря 1994 года по наблюдениям Службы тоннельных сооружений начал увеличиваться дебит воды с выносом песка из лотковой части тоннеля.

С февраля 1995 года дебит воды резко увеличился с выносом песка. По П пути на участке длиной 12 м из-под шпал происходил вынос песка с водой, а на одном из пикетов на уровне смежного тюбинга произошел разрыв сварного шва металлоизоляции, выпучивание её с нарушением габарита приближения оборудования с поступлением воды до 360 м/сутки.

В марте 1995г. наступила "нештатная" ситуация - разгерметизация шва металлоизоляции - со значительным поступлением воды (свыше 400 м/сутки) и песка (0,4-1,2 м/сутки). Естественно, что руководством метрополитена оперативно были приняты меры по ремонту локального участка металлоизоляции.

Работы по восстановлению герметичности металлоизоляции производились силами подрядной организации АОЗТ "Тоннельный отряд" (и, надо отметить, со стремлением к качественному и оперативному производству работ) по проектному решению, выполненному институтом "Ленметрогипротранс". Суть проектных решений сводилась к закреплению листов металлоизоляции на бетоне сетью анкеров.

Только 24 марта 1995 года представители фирмы "ДИМЕНСтест" впервые официально были приглашены для обсуждения сложившейся ситуации и фактически приступили к работе по оценке технического состояния сооружения, был заключен договор на тему "Оценка технического состояния тоннеля Петербургского метрополитена (на участке "Размыв") ст. "Лесная" - "Пл. Мужества".

Для обследования фирма "ДИМЕНСтест" применила собственную методику комплексной диагностики инженерных сооружений, основанную на многолетнем опыте сотрудников по обследованию спецсооружений Минобороны СССР. Методика, согласованная с базовым центром Минстроя РФ - госпредприятием КТБ железобетона Госстроя РФ, была адаптирована к местным условиям, учитывала показатели фактической контролепригодности объекта и включала циклы технического диагностирования, основными из которых были:

· виброимпульсные испытания,

· тепловизионные наблюдения,

· оценку топологии параметров напряженного состояния металлоизоляции (измерители механических напряжений "Комплекс-2.02" и "Комплекс-2.03"с пакетом программ),

· микросейсмическую дефектоскопию железобетонного слоя конструкций,

· ультразвуковой контроль толщины металлоизоляции,

· стандартный комплекс геодезического высотного и планового контроля,

· специализированный вид стереофотограмметрической съемки.

Кроме того, проводились лабораторные исследования проб грунтового основания (по пробам, поступившим внутрь тоннеля) и имитационное математическое моделирование работы конструкций тоннеля с учетом фактических физико-механических характеристик материалов и пространственного положения конструкций.

В результате виброимпульсных исследований впервые в практике технического диагностирования сооружений метрополитенов было выявлено образование в основании тоннеля среды с резко выраженным снижением (в два раза) плотности. Координаты середины зоны соответствовали координатам прорыва грунта в 1974 году. Заметим, что координата прорыва до предъявления выводов по результатам исследования сотрудникам фирмы не была представлена. На фото показан эпизод работы установки вибродиагностического контроля, в качестве преобразователей применялись отечественные акселерометры типа АНС. Для подтверждения результатов работы установки были привлечены сотрудники НИЦ 26 ЦНИИ МО РФ, использующие для этих же целей экспериментальный комплект их блоков приборов фирм "В&К", "MMF" и "Robotron. В качестве акселерометров для измерений они применяли преобразователи типа КД-12 и КД-20. Распознать причину изменений вибродиагностических параметров (от снижения плотности грунта или от низкого качества бетона в обойме) по их методикам не удалось. Однако для окончательного вывода был достаточно убедительным сам факт совпадения координат "патологии" в состоянии участка и одного из возможных выводов анализа результатов измерений.

Микросейсмическими методами впервые в практике технического диагностирования сооружений метрополитенов было установлено наличие зон сечений тоннеля с дефектным бетоном и сомнительным качеством связей между кольцами. Позднее, в процессе ремонтно-восстановительных работ (РВР), при вскрытии металлоизоляции для нагнетания компонент (раствора и полимера) положение этих зон было установлено подрядной строительной организацией.

Электромагнитными измерителями механических напряжений (патент фирмы.) и специальными программными средствами впервые в практике технического диагностирования сооружений метрополитенов были построены карты полей механических напряжений в металлоизоляции, которые четко выделили наиболее опасный 70 - метровый участок тоннеля П пути и позволили структурировать его зоны по степени опасности. В частности, окончательно определились наиболее опасные сечения, по которым в конечном итоге произошло аварийное разрушение сплошности обделки.

Тепловизионные наблюдения впервые в практике технического диагностирования сооружений метрополитенов указали отдельные участки со скрытыми металлоизоляцией потоками воды (в том числе без выхода на поверхность металлоизоляции). Такая информация оказалась полезной для распределения водоотвода перед РВР по нагнетанию растворов за металлоизоляцию.

Это тот же участок, фотография которого приведена выше по тексту. Отчетливо виден прорыв воды в вершинах водоотводных дренажных трубок.

Ультразвуковая толщинометрия позволила подтвердить отсутствие коррозии металла (а, следовательно, сделать весьма важный вывод об отсутствии химической коррозии несущей арматуры!). Позднее это было подтверждено прямыми наблюдениями.

Стандартными геодезическими методами были проверены результаты измерений Службы КИС метрополитена и подрядной организации "ГИРО" с целью исключения грубых просчетов. В частности, применение методики фирмы для анализа результатов геодезических измерений сразу позволило выявить особо опасные сечения тоннелей, что было невозможно сделать при стандартном анализе данных.

Инструментальные наблюдения за просадками тоннелей по I и П путям проводились Службой тоннельных сооружений регулярно. Однако методика анализа результатов геодезических измерений, неукоснительно соблюдавшаяся Службой, не позволила штатным сотрудникам обнаружить опасные тенденции.

В связи с происшествием геодезические наблюдения были интенсифицированы: начиная с марта месяца 1995 года они проводились уже ежемесячно, с июля 1995 года - один раз в две недели, с конца сентября - один раз в неделю, а с конца ноября проводились ежедневно.

На приведенном ниже графике хорошо видно, как в отдельных сечениях интенсивно раскрываются швы между тюбингами. Если бы этот вид анализа был бы предусмотрен регламентом работ и проводился регулярно, то прогнозирование случившегося не составило бы труда. Однако в инструкциях по эксплуатации сооружений соответствующих указаний не содержалось.

Недостаточный уровень разработки инструктивно-методических документов наиболее ярко иллюстрирует следующий пример. Уже не вызывал сомнения аварийный характер деформирования обделки тоннелей, а привлеченные к работам организации по-прежнему анализировали развитие процесса по абсолютным параметрам. На приведенном ниже графике изменения приращений высотных отметок одного из реперов трудно обнаружить "подозрительные" моменты.

Однако достаточно провести анализ не абсолютных приращений, а скорости их изменения, как выводы кардинально изменятся: лавинообразное нарастание при разрушении выявляется без каких-либо сложностей.

В частности, задолго до признания именно факта разрушения, а не "просто деформирования" тоннелей, институтом были названы даты "микрокатастроф", которые видны из этого же графика, построенного в более крупном масштабе:

Из этого же графика видно, что временной ряд измерений и анализ тренда еще в июне дали практически точную дату гибели объекта. При этом впервые в практике технического диагностирования сооружений метрополитенов был выявлен специфический для предаварийной ситуации "колебательный" характер изменения высотного положения реперов относительно отдельных "квазистабильных" реперов.

К сожалению, по состоянию на июнь 1995 года выводы фирмы не были признаны в полном объеме, а после аварии предпринимались попытки объявить их "не конкретными".

Стереофотограмметрия, также адаптированная к сложным условиям измерений в тоннеле, также впервые в практике технического диагностирования сооружений метрополитеновпозволила получить сведения об изменения пространственного положения каждой точки участка и создать базовые отсчеты для организации систематических наблюдений на последующий период. (Именно благодаря оперативной съемке базовых стереопар, уже в августе были зарегистрированы вращения смежных блоков тюбинговых колец во взаимно противоположных направлениях).

Лабораторные исследования дали исходную информацию о текущих физико-механических и химических свойствах окружающей тоннели среды, в частности, о фактическом отсутствии агрессивности воды.

Все экспериментальные результаты учитывались в специально разработанной математической модели сооружений, позволявшей имитировать поведение конструкций при любом изменении конструктивных решений, инженерно-геологических условий, развитии дефектности и пр.

В результате проведенных фирмой исследований в нижнем тоннеле было установлено, что конструктивное решение тоннеля в исходных(проектных, до прорыва грунта)инженерно-геологических условиях гарантировало пяти - семикратный прочностной запас. При анализе значимости причин, ответственных за изменение технического состояния объекта, изучались и такие "экзотические" ситуации, как замена железобетонной рубашки слоем песка, разрыв стержневой арматуры, исключение металлической гидроизоляции из прочностного расчета. Однако, ни один из факторов, кроме снижения жесткости грунтового основания, не снизил несущей способности конструкций до опасного уровня. Тем самым, были лишены почвы предпринимавшиеся попытки обвинить эксплуатирующие службы метрополитена и метростроителей в создании условий для аварийной ситуации. Было показано, что практически единственной причиной опасного изменения технического состояния тоннеля явилось снижение жесткости грунтового основания (образно говоря - "озера" под протяженной балкой без опор) из-за многолетнего исполнения указаний по устройству "организованного водоотвода".

На основании оперативного (предварительного) имитационного моделирования с учетом полученных экспериментальных данных фирмой был предложен комплекс рекомендаций по экстренному восстановлению эксплуатационной пригодности тоннелей и обеспечению его пространственной стабильности, в том числе усиление лотка обделки в секторе 120œ дополнительным стальным листом толщиной от 8 до 20 мм с установкой анкеров для дополнительного закрепления металлоизоляции, нагнетание растворов за металлоизоляцию с целью подавления притока грунтовых вод в тоннель. На момент представления официального отчета о НИР фирмы техническое состояние тоннеля было признано предаварийным. Немедленная реализация предложений фирмы (до начала цикла развития аварийной ситуации оставалось 2 месяца) могла обеспечить временную стабилизацию состояния тоннеля, что позволило бы выиграть достаточное время (несколько лет) для обоснованного решения вопроса по полному восстановлению эксплуатационного состояния тоннеля на должном уровне.

Наиболее важный результат - оценка критического уровня деформаций тоннеля П пути от проектного положения значением 90 мм. Сама по себе эта цифра не велика, но ее значение становится опасным, если учесть длину пролета с такой стрелой прогиба. Этот результат был воспринят с определенным недоверием: этот результат предсказывал начало лавинного разрушения конструкций на первую декаду августа 1995 года. Этому "недоверию" способствовало заключение подрядной организации - фирмы "Гиро", выполнявшей высотный контроль в тоннелях метрополитена, из наблюдений которой следовало, что якобы наметилась стабилизация высотного положения тоннеля П пути (методологические причины этого заблуждения были отмечены выше). Кроме того, в порядке критики выводов фирмы ведущие специалисты утверждали, что более развитые деформации на других участках Санкт-Петербургского метрополитена, в Бакинском и Киевском метрополитене на протяжении многих лет так и не привели к авариям (стрелы прогиба до полутора метров). По заключению лаборатории ЦНИИС показания арматурных преобразователей, как и ранее, находились в пределах не опасных значений, что также позволяло усомниться в картах полей напряжений, полученных фирмой: ведь никто не мог предположить, что неудачное расположение арматурных преобразователей системы контроля напряжений в конструкциях обделки существенно повлияло на достоверность результатов наблюдений как в процессе эксплуатации, так и на последней стадии функционирования тоннелей.

Предварительная (прикидочная) оценка срока начала чрезвычайной ситуации в тоннеле могла быть сделана не только из анализа тренда, но и следующим образом. По состоянию на июнь 1995 года ежемесячная просадка П тоннеля составила 10 мм. К исходу июня полное отклонение положения тоннеля составляло 70 мм. Таким образом, до уровня 90 мм по состоянию на начало июля 1995 года тоннель П пути мог деформироваться в течение (90 - 70):10=2 месяца. Данный прогноз оправдался с точностью до 1 недели.

Одновременно по просьбе начальника ДСМ фирмой был выполнен цикл вспомогательных работ. В частности, по просьбе ДСМ (Заказчик) для устройства дополнительных анкерных связей металлоизоляции с обделкой тоннеля фирма за свой счет провела разработку на предприятии Санкт-Петербурга и совместно со СМУ-10 - испытания анкеров целевого назначения. Первые образцы анкеров были переданы в Службу тоннельных сооружений и генеральному директору АО "Ленметрогипротранс". По стоимости разработанные анкеры оказались в два раза дешевле продукции фирмы "Hilty". По механическим характеристикам разработанные анкеры - не уступали продукции фирмы "Hilty", а по отдельным показателям - превосходили их. Разработанные анкеры позволяли без их доработки устраивать в необходимых местах конструкций марки для стереофотограмметрических наблюдений. При массовом применении изделия получался значительный экономический эффект. Кроме того, снижались транспортные и складские расходы. Однако, несмотря на сложное финансовое положение метрополитена, предложение фирмы не нашло поддержки и были закуплены анкеры "Hilty", а экспериментальные исследования фирмы так и остались "инициативными".

С июля 1995 года срок действия договора на обследование тоннелей истек. Поэтому07.07.95 года фирма предложила Дирекции строящегося метрополитена продолжить работы по комплексному обследованию тоннелей 1 и 2 путей перегона. Для комплексного обследования тоннелей, вероятно, не хватало финансовых возможностей Дирекции строящегося метрополитена (ДСМ). Вследствие этого, ни один из вариантов договора заключен не был. ДСМ рекомендовала установить договорные отношения с АО "Ленметрогипротранс". Фирма неоднократно представляла АО "Ленметрогипротранс" проекты договоров на комплексное обследование тоннелей. Однако и эти предложения не были приняты. Практически до конца августа длился отпускной период. В результате пролонгации договора не последовало.

Фирма "ДИМЕНСтест" по личной просьбе Первого заместителя начальника метрополитена - Главного инженера и под обещание начальника ДСМ пролонгировать договорные отношения, по-сути, в инициативном порядке продолжала исследования технического состояния тоннелей участка. Оценки, полученные при обработке экспериментальных данных в июле - августе 1995 года, указывали на появление первых признаков катастрофического развития деформаций тоннелей (см. график скорости приращения превышений высотных отметок). Актуальными стали вопросы имитационного моделирования и дополнительного обследования второго тоннеля, что является достаточно трудоемкой и ответственной задачей. Поэтому фирма практически полностью свернула свои работы по другим направлениям и сосредоточила все финансовые ресурсы в целях обеспечения задач метрополитена.

Кроме того, неоднократно на совещаниях в АО "Ленметрогипротранс" фирма подчеркивала необходимость ускорения реализации предложения по усилению лотковой части тоннеля 1 пути и проведении комплексного обследования обоих тоннелей перегона. Однако, по мнению специалистов АО "Ленметрогипротранс" уровни деформаций тоннелей нельзя было признать опасными (что было следствием вышеотмеченного методологического недостатка при анализе геодезических данных). Выпуск проектного решения по этой причине систематически отклонялся. Дирекция строящегося метрополитена была, вероятно, вынуждена считаться с мнением АО "Ленметрогипротранс", как с головной организацией в области тоннелестроения.

Фирма, по состоянию на первую декаду августа 1995 года, по-прежнему не имела достаточных юридических оснований (договорных отношений) для официальной постановки вопроса о развитии аварийной ситуации и о закрытии движения на участке.

По мере изучения ситуации специалистами фирмы выявлялись все новые и новые научно-технические проблемы, не решенные в предшествующие периоды проектирования, строительства и эксплуатации перегона, прояснялась картина взаимодействия тоннелей. В связи с этим, в августе фирмой были предложены (н.исх N34, 35 от 25.08.95), и в ноябре - заключены, договор по оценке напряженного состояния металлоизоляции тоннеля П пути и договор по исследованию вибродинамических воздействий подвижного состава на конструкцию тоннеля на участке "Размыв". Необходимость таких исследований была обусловлена рядом причин. Во-первых, до постановки такой задачи не исследовалось смещение тоннеля в вязкой среде (плывунные пылеватые пески) под действием вибраций от подвижного состава. Во-вторых, выраженный максимум деформаций приходился на середину участка, где имелось несколько одновременно действовавших факторов, в частности:

· изолированный стык рельсового пути - здесь помимо вибрационных воздействий происходил удар колеса, при котором нагрузка на основание пути, то есть на конструкции тоннеля, возрастала в 10 раз,

· место сбойки тоннелей и центр образовавшегося "озера".

В-третьих, ни теоретических, ни экспериментальных исследований взаимодействия подвижного состава с конструкциями тоннелей, расположенных в таких уникальных инженерно-геологических условиях в мире не проводилось, а, следовательно, не существовало обоснованных рекомендаций для проектирования подобных сооружений.

В порядке выполнения названных исследований фирмой был выполнен комплекс измерений напряженного состояния металлоизоляции по верхнему тоннелю, разработана и изготовлена подвижная экспериментальная установка измерения вибродинамических характеристик конструкций тоннеля и рельсового пути, выполнены ее испытания в натурных условиях.

Наиболее важными результатами стали модель взаимодействия подвижного состава с обделкой тоннеля и грунтом через демпфирующий элемент пути. Были обнаружены некоторые эффекты, способствующие формированию подтоннельного "озера".

Первые же результаты оценки напряженного состояния металлоизоляции в зоне выхода тоннелей из "берегов" размыва указали на места и верхнего, и нижнего тоннелей, где при последующих расчетах обнаружились сечения обделки, вплотную приблизившиеся к предельному состоянию.

По участку тоннеля, с которого начались события, была разработана точная имитационноя модель и смонтированы дополнительные марки стереофотограмметрического контроля.

Этот участок нижнего тоннеля длиной 70 м, где было отмечено наибольшее поступление воды и песка и зафиксированы максимальные деформации - просадки, выбирался для производства работ по "лечению" тоннелей по рекомендации фирмы "ДИМЕНСтест" на техническом совещании Начальника Петербургского метрополитена еще 07.07.95 года на основании результатов обследования нижнего тоннеля, представленных в отчете. Выбор участка возражений не вызвал, поскольку ко времени завершения обследования нижнего тоннеля, были зафиксированы дальнейшее возрастание притоков грунтовых вод и поступления мелких и тонких пылеватых песков "плывуна".

В верхнем тоннеле, имеющем на этих же пикетах более высокие значения деформации, чем в нижнем, не было поступления ни воды, ни песка. Его ремонт в связи с недостатком средств предполагалось начать позже. В сентябре АО "Ленметрогипротранс" модифицировало предложение фирмы и выпустило, наконец, проектное решение по усилению лотковой части тоннелей отдельными листами.

Работы выполнялись АО "Тоннельный отряд" сначала в ночные часы, когда отсутствует движение поездов по тоннелям, с сентября 1995 г. - в выходные дни с прекращением движения поездов, а затем с 04.12.95 г. при полностью закрытом перегоне, т.к. времени для работ по установке анкеров только в ночные часы и даже в выходные дни не хватало. Для заполнения пустот в обделке использовались полимерные составы. Эту работу выполняли сотрудники "Геострой".

В состав аварийно-восстановительных работ входили:

d. освобождение ремонтируемого тоннеля от рельсов (в т.ч. контактного) и шпал,

e. вырубка бетона,

f. обнаружение и заварка поврежденных сварных швов в металлоизоляции,

g. установка в пробуренные шпуры анкеров, их обварка,

h. инъекция под металлоизоляцию в бетон растворов для водоподавления,

i. усиление металлоизоляции наваркой новых листов (с сентября),

j. засыпка шпальных ящиков щебнем,

k. восстановление путей,

l. контроль текущего состояния тоннелей,

m. расчистка зоны работ от вырубленного путевого бетона и поступающей в тоннели воды с песком, вывоз щебня и песка мотовозами на платформах за пределы тоннелей в депо и др.

За развитием процесса внимательно наблюдали должностные лица и представители Правительства. Тем не менее, проведению работ по усилению конструкции тоннелей и водоподавлению серьезно препятствовало крайне недостаточное финансирование этих работ, хотя принципиальное согласие и поручение Правительству Российской Федерации было дано Президентом страны Ельциным Б.Н., а Премьер-Министром Черномырдиным В.С. поручение Минэкономики, Минфину и Минстрою РФ было дано в один день - 14 сентября 1995г.

Положение в тоннелях перегона катастрофически усугублялось.

Сотрудники фирмы еженедельно по собственной инициативе (договор на этот вид работ так и не был заключен) производили перерасчет имитационной модели с учетом новых экспериментальных данных и на совещаниях сообщали полученные оценки заинтересованным организациям. Если в августе появились лишь первые признаки (изломы кривой скорости деформаций, характерные выбросы на эпюре относительных перемещений - см. графики), то уже в первой декаде ноября 1995 года специалистам фирмы стала ясна неотвратимость аварии, о чем говорили скорости изменения расчетных моментов усилий.

По личной просьбе Начальника дирекции строящегося метрополитена от 17 ноября 1995 года фирма официально представила результаты промежуточных расчетов на техническом совещании в АО "Ленметрогипротранс" и затем письмом обратила внимание специалистов на достигнутый аварийный характер развития событий:

О неотложных мерах по обследованию тоннеля 1 пути перегона "ст. Лесная- ст. Пл. Мужества" Сообщаю, что во исполнение Вашей просьбы от 17.11.95 года фирмой проведены дополнительные исследования пространственного положения тоннеля 1 пути перегона "ст. Лесная - ст. Пл. Мужества" и повторная оценка технического состояния обделки с учетом новых результатов натурных наблюдений, а также проанализированы предоставленные материалы ГКИС службы тоннелей. Установлено, что отклонения высотных отметок от проектной величины существенно превышают ранее объявленные значения (величина приведена в отдельном сообщении). Конструкции тоннеля исчерпали ресурс линейного и перешли в область нелинейного деформирования. Ввиду преобладающего влияния состояния грунтового основания на эксплуатационную пригодность тоннелей, целесообразно решить вопрос о проведении дополнительных инженерно-геологических изысканий, например, с помощью скважин. В создавшейся ситуации считаем крайне необходимым: 1. Поручить ГКИС тоннельной службы незамедлительно официально (ввиду высокой ответственности принимаемых решений) предоставить в распоряжение фирмы все имеющиеся результаты геодезического контроля тоннелей не менее чем с 1976 года. 2. Рассмотреть вопрос об утверждении договора N08(24)95 года от 25.07.95 года в части допсоглашения N2 (Оценка параметров пространственного положения обделки тоннеля пути I перегона "Лесная - Пл. Мужества") между АО "Ленметрогипротранс" и фирмой или, что в сложившихся условиях более желательно, заключить его непосредственно между Дирекцией строящегося метрополитена и фирмой со срочным финансированием соответствующих работ. 3. Рассмотреть вопрос о финансировании работ по срочному моделированию работы тоннеля 1 пути (Тема N1, N2, прилагается). 4. Рассмотреть вопрос о срочном проведении комплексного обследования с оценкой технического состояния тоннеля 1 пути по программе, аналогичной программе обследованию тоннеля 2 пути, ранее выполненному фирмой (с расширением объема измерений от 60 м до всей протяженности участка). Без решения вышеперечисленных вопросов фирмой не могут быть своевременно разработаны исходные данные для проектных решений по предотвращению предаварийной обстановки в тоннеле 1 пути. В настоящее время фирма продолжает наблюдения за пространственным положением тоннеля и ведет оценку его технического состояния с учетом ресурса в нелинейной области деформирования конструкций в пределах своих ограниченных финансовых возможностей. Ваше решение по поставленным вопросам прошу поручить сообщить в адрес фирмы. ПРИЛОЖЕНИЕ:1. План НИР на тему "Исследование технического состояния конструкций обделки тоннелей СПб метрополитена ..." в 1 экз. на 11 л. Только адресату.

Обработка экспериментальных данных с помощью математической модели работы конструкций показала неотвратимость наступления аварийной ситуации. Расчеты, завершенные во второй декаде ноября 1995 года, позволили подтвердить ранее объявленные прогнозы сроков, характера и мест разрушения тоннелей. Стереофотограмметрические измерения в зонах, обнаруженных электромагнитным методом, показали, что тоннель "разрезался" на 3 блока, каждый из которых стал поворачиваться относительно исходного положения. В графиках продольных деформаций обнаружились "площадки сухого трения", характерные для работы конструкций с вырываемыми из бетона арматурными стержнями. В связи с вновь подтвердившимися обстоятельствами, фирма официально в виде Заключения(н.исх. N51 от 21.11.95 г) обратила внимание руководства Санкт-Петербургского метрополитена на наступление чрезвычайной ситуации и рекомендовала принять экстренные меры по обеспечению безопасности в зоне, включая полное закрытие перегона и подготовку усиления затворов:

З А К Л Ю Ч Е Н И Е по результатам предварительной оценки напряженно-деформированного состояния обделки тоннеля I пути перегона "ст. Лесная- ст. Пл. Мужества". В соответствии с договором N2(24)95 от 24.04.95 года между Дирекцией строящегося метрополитена и фирмой "ДИМЕНСтест" в период с 24 апреля 1995 года по 30 июня 1995 года выполнено комплексное обследование с оценкой технического состояния 60-м участка "РАЗМЫВ" обделки тоннеля второго пути перегона "ст. Лесная - ст. Пл. Мужества". Измерения выполнялись методами и средствами виброимпульсной диагностики, ультразвуковым, электромагнитным способом оценки параметров полей механических напряжений, путем тепловизионных наблюдений, средствами контроля пространственной стабильности сооружений (в том числе путем стереофотограмметрических измерений), визуальным осмотром и др. Результаты натурных измерений и наблюдений, а также сведения, полученные из проектной и рабочей документации, использованы для формирования математической модели работы участка обделки тоннеля, вычислительные эксперименты с которой обеспечили оценку напряженно-деформированного состояния конструкций и выявление зон, требующих принятия специальных мер по обеспечению эксплуатационной пригодности сооружения. По отдельным результатам испытаний и в процессе вариации параметров модели было установлено, что наиболее вероятной причиной снижения эксплуатационной пригодности тоннеля (в том числе, причиной роста локальных деформаций участка обделки) являются изменения инженерно-геологических условий в исследованной области: существенные изменения плотности и жесткости грунтового основания, возникшие вследствие аварии в процессе строительных работ в 1976 году и накопившиеся в течение длительного периода (около 20 лет) эксплуатации сооружения. В 1995 году накопленные скрытые нарушения привели к раскрытию трещин обделки и обусловили рост притока в полость тоннеля водо-песчаной пульпы, что дополнительно повлияло на состояние грунтового основания и, как следствие, на условия работы участка тоннеля. Указанные явления не могли быть обнаружены эксплуатирующими службами метрополитена, поскольку для их обнаружения необходимы уникальные технические средства и методики измерений, аппаратно-программные средства обработки данных и специальный персонал. Рекомендации фирмы были учтены проектной организацией. Комплекс организационно-технических мер, выполненных на данном участке, как показывают последние наблюдения, предотвратил быстрое развитие деформаций конструкций до опасных значений. Адекватность модели, методические приемы и способы интерпретации результатов, полученных при обследовании тоннеля с оценкой его технического состояния, представленные отчетами о НИР, дважды получали положительные отзывы Госпредприятия "Конструкторско-технологическое бюро железобетона", являющегося базовым центром Минстроя РФ (см. Приложение к Отчету о НИР). В процессе производства ремонтно-восстановительных работ на П пути выводы экспериментальных исследований фирмы также подтвердились. Ввиду договоренности с руководством Санкт-Петербургского метрополитена о продолжении аналогичных работ, фирмой в ноябре 1995 года были выполнены предварительные исследования технического состояния конструкций тоннеля по I пути перегона. В математической модели были учтены наиболее существенные специфические особенности конструктивных и объемно-планировочных решений тоннеля, проведен анализ результатов многолетних геодезических наблюдений ГКИС метрополитена за высотным положением реперов, выполнены контрольные высотные и плановые наблюдения специалистами фирмы, проведены единичные измерения деформаций и напряжений металлоизоляции, изучен характер нарушения отдельных участков сварных швов, проведен химический анализ фильтрованной воды и изучен состав грунта. При моделировании тоннеля и формировании плана его обследования использовался опыт, полученный на первом этапе исследования технического состояния тоннелей (по П пути), в том числе модель изменения свойств грунтового основания . Предварительное моделирование работы участка тоннеля П пути с учетом данных по состоянию до 11.11.95 г. показало наличие зон обделки с изгибающими моментами, близкими к опасными (предельным) значениям (до 1,30*107 кгс*м при предельном значении 1.32*107 кгс*м на ПК*** и др.). В указанной ситуации механизм деформирования элементов конструкций становится существенно нелинейным и требует дополнительных исследований с повышенной точностью. Вместе с тем, сопоставление результатов вычислительных экспериментов со сведениями, полученными специалистами метрополитена путем визуальных наблюдений во второй половине ноября 1995 года, показало совпадение расчетных координат с местами раскрытия сварных швов, что косвенно подтвердило правильность полученных оценок напряженно-деформированного состояния участка тоннеля. При этом не исключена вероятность последующего обнаружения других участков с неудовлетворительным техническим состоянием (вне исследованной 60-м зоны). Анализ тенденций изменения пространственного положения участков тоннеля I пути по данным ГКИС метрополитена и материалам, полученным сотрудниками фирмы, показал, что за 1995 год суммарные деформации отдельных сечений тоннеля превысили суммарные деформации тех же сечений за почти 20-летний период его эксплуатации. При этом в 1995 году первоначально наблюдался процесс незначительного роста осадок участка тоннеля (менее 0,5 мм/сут), который активизировался в октябре и получил признаки лавинообразного характера (7-8 мм/сут) в последней декаде ноября 1995 года. Такие явления характерны для конструкций, достигших предельного состояния первой группы, оцениваются как опасные для дальнейшей эксплуатации сооружения. Существенно, что координаты реальных дефектов (трещины в металлоизоляции) обделки и максимальных изгибающих моментов при расчете оказались достаточно близкими. Более точные оценки степени опасности технического состояния тоннеля I пути и ожидаемые сроки наступления аварийной ситуации могут быть получены путем учета в модели дополнительной информации об особенностях принятых конструктивных решений на основании анализа результатов комплексного обследования всего 460-м участка. Однако, по опыту обследования 60-м участка П пути для соответствующего обследования потребуется не менее 2 месяцев. Ввиду необходимости безусловного обеспечения безопасности пассажироперевозок, на основании совпадения предварительных расчетных оценок напряженно-деформированного состояния как близких к предельным и практически обнаруженных признаков опасного ускорения деформации конструкций участка тоннеля в одних и тех же сечениях, учитывая прочие косвенные признаки быстрого осложнения состояния грунтового основания (рост выноса грунта и дебита воды в полость тоннеля), для принятия экстренных мер по предотвращению опасного развития деформаций и разрушений конструкций тоннеля, считаем необходимым рекомендовать: 1. Признать техническое состояние конструкций обделки тоннеля в 60-м зоне(указана координата)близким к предаварийному. 2. Срочно приступить к комплексному обследованию всего 460-м участка тоннеля I пути с целью выявления прочих зон с вероятным снижением технического состояния. 3. Выполнить ускоренную разработку проектного решения и начать ремонтно-восстановительные работы в 60-м зоне с целью подавления каналов фильтрации водо-песчаной пульпы с последующим усилением прочности тоннеля в лотке и своде. 4. Прекратить эксплуатацию участка перегона на весь период производства ремонтно-восстановительных работ. ПРИЛОЖЕНИЯ: 1. Скорость приращения превышений на участке 2. Скорость приращения превышений репера(указана координата). 3. Эпюра изгибающих моментов тоннеля I пути (указаны координаты).

На основании данного Заключения АО "Ленметрогипротранс" подготовило доклад Комиссии по чрезвычайным ситуациям по Санкт-Петербургу. Заключение было включено в Приложение к докладу и заслушивалось на совещаниях КЧС.

В связи с резким ростом просадок верхнего тоннеля с 16 ноября 1995г. в его конструкции появились нарушения металлоизоляции с увеличивающимся поступлением воды и песка. К 9 декабря приток воды достиг 700 м в сутки, песка 30 м в сутки.

8 декабря 1995г. в связи с резким увеличением притока воды и песка в верхний тоннель была признана реальная опасность не успеть закрыть затвор со стороны ст. "Лесная", что повлекло бы за собой затопление метрополитена. В связи с опасностью обстановки после обсуждения ситуации по телефону с председателем КЧС и заместителем мэра, 9 декабря 1995г. в 21.00 было принято решение о закрытии затвора. Он был закрыт в 21.05 и в дальнейшем велась работа по обварке швов по металлу, гильз для прокладки кабелей со стороны ст. "Лесная".

10 декабря на заседании КЧС с участием руководителей служб городского хозяйства и фирмы было принято решение об ускоренном затоплении верхнего тоннеля водой от городского водопровода, начиная с 16.00 с целью уменьшения проникновения воды и грунта в тоннель из-за обделки и снижения просадок поверхности.В 24.00 этого же дня началось постепенное принудительное затопление тоннеля водой из тоннельного водопровода.

По мере заполнения тоннеля водой до последнего момента велся визуальный осмотр его конструкции и геодезические замеры его просадок. В связи с усилившимися протечками воды через затвор, 11 декабря с 12 часов было начато бетонирование дополнительной (усиливающей затвор) бетонной перемычки длиной 3 м. Техническое решение об устройстве бетонных перемычек было принято без участия представителей фирмы. В частности, были упущены моменты для устройства блокирования поступления воды в затюбинговое пространство, а также для организации системы долговременного контроля за миграцией водных потоков около затопленного тоннеля и за состоянием перемычек.

11 декабря в 9.35 заливка верхнего тоннеля водой из водопровода с поверхности была прекращена. В 16.30 11 декабря 1995г., в связи с поднятием зеркала воды к порогу верхнего затвора со стороны ст. "Пл. Мужества", он был тоже закрыт. Контроль за поднятием давления воды за затвором был предусмотрен с помощью манометра, установленного на одной из труб.

Вплоть до завершения затопления верхнего тоннеля в нижнем продолжались работы по усилению герметичности затворов, бетонированию порогов, а также продолжались работы по "лечению" течей и усилению внутренней металлоизоляции. Основанием продолжения работ назывался вывод о том, что штатный геодезический контроль за просадками нижнего тоннеля выявил некоторое снижение просадок опасного участка. Это случилось незадолго до закрытия верхнего тоннеля. По времени кажущаяся стабилизация совпала с завершением проведения части работ по водоподавлению и сокращением поступления песка, что вызвало очередные сомнения АО "Ленметрогипротранс" в достоверности оценок состояния тоннеля, выполненных фирмой. После начала затопления верхнего тоннеля рост просадок нижнего резко возрос, что сняло сомнения. Учитывая рекомендации фирмы, в целях безопасности 12 декабря 1995г. эксплуатируемой до ст. "Пл.Ленина" линии метрополитена нижний затвор со стороны ст. "Лесная" в 21.05 час. был закрыт. Для пропуска воды, поступающей из верхней части сечения тоннеля с дебитом 15 м в час на участке производства ремонтных работ была оставлена открытой заслонка в пороге затвора. Производство ремонтных работ было прекращено только после начала затопления тоннеля.

12 декабря 1995 года экстренный расчет, выполненный фирмой, показал переход конструкций в запредельное состояние, о чем немедленно были поставлены в известность представители АО "Ленметрогипротранс" на техническом совещании по месту проведения работ. Критический порог прогиба, предсказанный в июне, был достигнут. А уже 16 декабря 1995 года по данным КИС метрополитена выявился лавинообразный прирост просадок (до 5- 8 мм за каждую половину суток на длине 28 м!). В связи с опасностью резкого разрыва конструкции и мгновенного затопления тоннеля было принято решение о закрытии заслонки порога нижнего затвора со стороны ст. "Лесная". Началось затопление нижнего тоннеля сначала грунтовой водой, а с 4 час.30 мин 17 декабря - водой из городского водопровода.

У всех затворов бетонировались дополнительные бетонные перемычки. Для восстановления движения поездов между ст. "Академическая" и "Пл. Мужества" уже с 6 декабря велись работы по обустройству камер съезда у ст. "Пл. Мужества".

Каков же механизм разрушения?

1. Бетонирование проводилось в пространство между тюбингами и сваренными листами металлоизоляции. Естественно, что там скапливался замороженный конденсат, смешанный со строительным мусором. В результате, хотя укладываемый полимербетон полностью удовлетворял требованиям, принятая технология не смогла обеспечить должную степень чистоты пространства бетонирования, что привело к образованию пустот. Методы контроля качества, известные метростроителям в те годы, не обеспечили выявление и своевременное устранение дефектов, границ раздела слоев бетонирования. Сформировались зародыши трещин.

2. После ликвидации аварии и сбойки тоннелей конструкции приняли температуру окружающей замороженной среды. Естественно, что по мере прогрева обделки проходило оттаивание замороженного конденсата в полостях бетона и под металлоизоляцией. Появились первые течи, для борьбы с которыми был рекомендован тот самый "организованный водоотвод".

3. Прогрев обделки привел к температурному расширению. Деформационные швы не полностью выполнили свою задачу. Началось деформирование тоннелей. Естественно, что максимальный изгиб произошел в зоне прорыва. Началось раскрытие межтюбинговых зазоров и образование трещин по поверхностям перерывов бетонирования.

4. По мере оттаивания массива пульпа из воды и пылеватого песка пошла по открывшимся каналам в полости обделки и в зазоры между металлоизоляцией и бетоном. Как показали микросейсмическое зондирование и тепловизионные съемки, точки входа пульпы и ее выхода под металлоизоляцию нередко разделяли метры, что естественно, например, для движения жидкости по трещинам на границах разделиов бетонирования. Поскольку связь металлоизоляции с бетоном не везде была достаточной, появились области "вспучивания" металла, для борьбы с которыми вновь было предписано устройство дренажа "организованного водоотвода". Именно в это время следовало начать поиск и ликвидацию каналов движения пульпы путем инъектирования раствора. "Организованный водоотвод" увеличил расход пульпы по каналам ее проникновения, а абразив постепенно стал разрабатывать берега этих каналов.

5. Тоннели продолжали функционировать, поскольку многие годы их окружала замороженная среда - некий эквивалент упругого основания, для работы на котором была запроектирования балка-тоннель. По мере прогревания массива температурные деформации, а потому и приращения показаний струнных тензометров замедлялись. Эти обстоятельства ввели в заблуждение авторов рекомендаций о снятии ограничений скорости движения поездов.

6. Вибрации и ударные нагрузки от колесных пар по изолированному стыку над сбойкой тоннелей возросли и ускорили раскрытие трещины в этом месте тоннеля. Как только связность массива достаточно снизилась, начался процесс активного прогиба конструкций.

7. По мере прогиба формировались блоки разделения тоннелей. Каждый цикл формирования сопровождался резкими скачками скорости приращения высотных отметок. Как только разделение блока завершалось, соответствующий репер замедлял свое движение и успокаивал наблюдателей. Наиболее показательными были последние акты разделения тоннелей на блоки, в процессе которых происходил разрыв арматурных стержней с последующим медленным их выходом из бетона. Это явление очень хорошо заметно на графиках скоростей роста превышений по смежным реперам. Интересно отметить, что по наблюдениям одной из организаций, доложенным на НТК, посвященном проблемам "Размыва" в 1997 году, одиночные акты акустической эмиссии регистрировались даже спустя 2 года.

Поскольку Заказчик так и не обеспечил финансирование выполненных фирмой работ, соответствующие материалы научно-исследовательского характера ему не были переданы. Исключение составили лишь конкретные выводы и заключения, передача которых была необходима для принятия оперативных мер в той чрезвычайной ситуации.

Вместе с тем, выполненная работа имела значимость не только для периода развития аварийной ситуации. Впереди предстояла проблема восстановления движения. Решать задачу восстановления перегона без знания результатов этой научно-исследовательской работы - равносильно...