Проектирование, строительство, эксплуатация
КАК ЭТО БЫЛО
И
КАК ЭТО БУДЕТ
На самом деле
на участке «РАЗМЫВ» Кировско-Выборгской линии
Петербургского метрополитена
между станциями «ЛЕСНАЯ» И ПЛОЩАДЬ МУЖЕСТВА»
Снкт-Петербург
СОДЕРЖАНИЕ
ЧАСТЬ 1 «КАК ЭТО БЫЛО»......................................................................................................... 3
1.1. Предисловие................................................................................................................... 3
1.2. Проектирование, строительство, эксплуатация.................................... 3
1.3. Развитие аварийной ситуации.......................................................................... 6
1.4. Последствия гибели тоннелей на поверхности................................... 19
1.5. Оценка ситуации и меры по ликвидации аварии............................... 19
1.6. После аварии................................................................................................................ 20
ЧАСТЬ 2. «КАК ЭТО БУДЕТ»..................................................................................................... 22
2.1. ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................... 22
2.2. ОБЩИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ И ПРЕДПОСЫЛКИ............................................................. 25
2.3. ТЕХническое решение №1...................................................................................... 26
2.4. ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ №2........................................................................... 27
2.5. ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ №3........................................................................... 28
2.6. мОЖЕТ МЫ НЕПРАВЫ?.................................................................................................. 29
2.7. К ЧЕМУ «ПРИПЛЫЛИ»?................................................................................................... 30
2.8. где же выход?............................................................................................................... 34
ЧАСТЬ 1 «КАК ЭТО БЫЛО»
Предисловие
Один из выпусков цикла телевизионных передач "Как это было" показал, что интерес к событиям 1995 года не совсем иссяк. Многие вопросы так и остались не решенными, а принятый сегодня способ интерпретации и решения некоторых из них, мягко говоря, вызывает недоумение и сомнения. О роли нашего института (в то время "фирмы") в тех событиях нигде не упоминалось.
Именно поэтому мы начинаем публикацию части фактического материала, освещающего как историю, так и будущее участка Санкт-Петербургского метрополитена между станциями "Лесная" и " Площадь Мужества".
Приведенные ниже материалы являются собственностью нашего института - единственной организации, выполнившей исследование в виде полного комплексного обследования с оценкой технического состояния тоннелей участка - от изучения документации и проведения измерений, до моделирования объекта с выдачей исходные данных и рекомендаций проектировщикам и сопровождения работ.
Результаты обследования ранее не публиковались, а приводились, в части касающейся заказчика (Дирекция строящегося метрополитена), в отчетах ограниченного распространения (без права копирования в интересах третьих лиц). Следовательно, интерпретация материалов технического диагностирования (ретроспективного, текущего и прогнозного), не соответствующая мнению нашего института, может быть основана либо на не полном объеме диагностической информации, либо на незаконно полученных данных.
В декабре 1995 года на Кировско-Выборгской линии метрополитена г. Санкт-Петербурга между станциями "Лесная" и "Площадь Мужества" тоннели перегона на участке "РАЗМЫВ" перешли в аварийное состояние. Создалась чрезвычайная ситуация, для ослабления последствий которой потребовалось затопить водой перегонные тоннели, прекратить движение поездов, выполнить работы на поверхности. До настоящего времени эксплуатация этой линии ведется двумя раздельными участками: с юга от ст. "Проспект Ветеранов" до ст. "Лесная" (от депо "Автово") и с севера - от ст. "Девяткино" до ст. "Академическая" (от депо "Северное").
Участие института "ДИМЕНСтест" в мероприятиях по оперативной технической диагностике конструкций тоннелей, в разработке исходных данных для выпуска проектных решений и рекомендаций по РВР обеспечило своевременность принятия мер по предотвращению гибели людей и в снижении последствий от аварии.
Проектирование, строительство, эксплуатация
С апреля 1995 года на основании договора с Дирекцией строящегося метрополитена фирма "ДИМЕНСтест" приступила к обследованию с оценкой технического состояния тоннелей. В связи с этим, сотрудникам фирмы был предоставлен доступ к отдельным материалам, содержащим сведения о ходе проектирования, строительства и эксплуатации данного перегона метрополитена. Изучение названных материалов является обязательной стадией первого этапа обследования любого инженерного сооружения согласно принятой на фирме методологии технического освидетельствования объектов и расследования причин изменений их технического состояния. Изучение материалов позволило выяснить следующие исходные данные для постановки задач обследования.
Проектное задание участка IV Кировско-Выборгской линии метрополитена от ст. "Площадь Ленина" до ст. "Девяткино" разработано генпроектировщиком - институтом Ленметропроект в 1968-1969 гг.
В проектном Задании было разработано три варианта трассы:
· глубоким заложением с проходом тоннелей через участок "Размыв" между станциями "Лесная" - "Площадь Мужества";
· мелким заложением с проходом трассы по городской территории;
· глубоким заложением с проходом тоннелей под участком "Размыв" с использованием лифтовых подъемников или двухмаршевых эскалаторов.
Варианты обсуждались на ряде технических советов. Были приняты следующие выводы:
a. вариант мелкого заложения при прокладке тоннелей по городской территории может потребовать снос многих домов и перекладку инженерных сетей.
b. Прокладка тоннелей под участком "Размыв" осложнена из-за фиксированного положения станций "Лесная" и "Площадь Мужества", а также ввиду необходимости устройства двухмаршевых эскалаторов и промежуточных подземных вестибюлей. Кроме того, трасса тоннелей прокладывалась бы по грунтам Гдовского горизонта, в песчаниках которого содержатся напорные воды под большим давлением.
c. Вариант прохода трассы через участок "Размыв" лишен недостатков, указанных в п.п. а и б.
Однако, отмечалось, что сооружение тоннелей через участок "Размыв" представляло сложную инженерную задачу, до того времени не имеющую аналогов в мировой практике.
Трасса тоннелей неоднократно обсуждалась на различных технических советах, в том числе в Министерстве транспортного строительства, где было принято решение о принятии к дальнейшей разработке сооружения тоннелей по варианту с проходом через участок "Размыв". Решение было утверждено Министром транспортного строительства СССР. Кроме того, проектное задание было согласовано Главгосэкспертизой Госстроя СССР и утверждено распоряжением Совета Министров СССР в 1970 г.
Строительство было начато в 1971 году.
По материалам ряда отчетов о НИР Ленинградского института железнодорожного транспорта (ЛИИЖТ) в процессе сбора данных об объекте было установлено, что пересечение тоннелями участка понижения кровли плотных протерозойских глин - участка "Размыв" (каньон - древнее русло р. Нева), выполнялось на уклонах двумя тоннелями - один над другим. Решение о расположении тоннелей в одной плоскости (один над другим) было принято в процессе строительства с целью экономии средств при создании замороженного массива. Замораживание грунтового массива выполнялось с помощью различных хладоагентов, в том числе с помощью жидкого азота (см. Итоговый отчет о НИР. шифр "Размыв-1", "ДИМЕНСтест", июнь 1995 года).
Конструкция перегонных тоннелей в зоне участка "Размыв", проходящих в предварительно замороженных грунтах, представляет собой наружную чугунную обделку и внутреннюю железобетонную оболочку с заанкеренной в нее металлической листовой изоляцией (рис.1).
Рис.1. Схематическая конструкция тоннелей.
По принятому в строительство варианту проекта перегонные тоннели пересекали зону участка "Размыв", состоящую из пылеватых и мелких песков, сильно обводненных, перекрытых слабой толщей суглинков лужской и московской морены. По трассе тоннелей в зоне "Размыва" гидростатическое давление составляло до 9 атм.
8 апреля 1974 г. при проходке нижнего тоннеля были вскрыты незамороженные зоны, в результате чего произошел аварийный прорыв плывуна в объеме более 40 тыс. м в готовую часть нижнего тоннеля, а затем в верхний тоннель.
Для ликвидации последствий аварии была выполнена замороженная грунтовая перемычка протяженностью до 70 м с применением около 8000 т жидкого азота. Во время очистки тоннелей при продолжении строительства в 1975 году было вскрыто место прорыва длиной до 10 м. Осадки колец составляли в шелыге свода около 40 см.
Из проанализированных материалов и отчетов следует, что перед сдачей линии в эксплуатацию в 1975 году ЛИИЖТом было выполнено определение несущей способности конструкции перегонных тоннелей, пересекающих зону "Размыва". Испытание конструкций на стенде в лаборатории Тоннелей ЛИИЖТ'а показало, что конструкция обладает 5-кратнымзапасом прочности. Это же отражено в заключении кафедры "Тоннели и метрополитены" ЛИИЖТа, приложенном к акту Государственной комиссии.
Этот вывод в 1995 году был проверен и подтвержден нами на основании более точного метода расчета - имитационного математического моделирования (на основе метода конечных элементов) с учетом фактических характеристик, полученных в результате комплексных экспериментальных испытаний натурного объекта.
Различие выводов состоит в том, что по данным "ДИМЕНСтест" названный запас прочности тоннелей обеспечивалсятолько в условиях работы сооружения на основании с ненарушенной плотностью. Для участка прорыва это условие нарушено, что в выводах "ДИМЕНСтест" подчеркнуто особо.Однако, в работах ЛИИЖТ и АО "Ленметрогипротранс" сведений об объективном анализе работы тоннеля как балки с учетом образования зоны пониженной жесткости (вследствие выноса грунта при прорыве) обнаружить не удалось.
Участок метрополитена был введен в эксплуатацию 31.12.75 г. и с этого времени эксплуатировался службами Санкт-Петербургского метрополитена со строгим соблюдением инструктивно-методических указаний ЛИИЖТ и ЦНИИС. В частности, по мере оттаивания породного массива в течение нескольких лет в строгом соответствии с инструкциями проводились работы по ликвидации появления скоплений воды под металлоизоляцией, Службой тоннельных сооружений выполнялось устройство дренажных трубок так называемого "организованного водоотвода" (для пропуска грунтовой воды, прошедшей через обделку тоннеля, в полость тоннеля для дальнейшего выброса на поверхность по системам канализации). Предупреждений об опасности длительного применения "организованного водоотвода" для жесткости грунтового основания в зоне прорыва в документах ЛИИЖТ, ЦНИИС, АО "Ленметрогипротранс" и АО "Ленметрострой" не обнаружено.
Для наблюдения за состоянием конструкций в период эксплуатации и для получения данных о напряжениях и деформациях в них в 1976 году была создана комиссия, состоящая из главных инженеров всех организаций, участвовавших в строительстве и эксплуатации метрополитена города. Комиссия регулярно собиралась и докладывала Техническому совету Ленметрополитена о состоянии тоннелей.
По заданию Заказчика во П квартале 1982 года были специально пробурены гидронаблюдательные скважины, в том числе скважины в непосредственной близости от места прорыва. Было установлено, что ледопородный массив полностью разморожен. Только над шелыгой свода верхнего тоннеля на высоте 6-10 м и выше обнаружена вялая мерзлота с температурой 0 - 10 С. Упоминаний об опасном изменении физико-механических свойств грунта после размораживания не приводится.
Данные материалы имелись в распоряжении всех компетентных организаций. В процессе эксплуатации тоннелей, пересекающих зону "Размыва", для обследования обделки, металлоизоляции и научно-теоретического анализа и наблюдения за осадками тоннелей, поступлением грунтовых вод через обделку и деформациями обделок были подключены различные научные и научно-исследовательские институты.
Однако, в материалах отчетов о НИР ЛИИЖТ, как головной организации, проводившей научное сопровождение работ, не содержится указаний о необходимости дополнительного исследования несущей способности грунта из-за опасности снижения жесткости основания в зоне прорыва для дальнейшей эксплуатации тоннелей участка. Более того, согласно заключению кафедры "Тоннели и метрополитены" ЛИИЖТа по выполненной ею работе "Разработка рекомендаций по эксплуатации тоннелей в зоне "Размыва" Кировско-Выборгской линии Ленинградского метрополитена" - (Заключительный отчет от 21 июня 1991 г.) отмечается, что "Конструкция в целом находится в удовлетворительном состоянии, имеет достаточную несущую способность и обеспечивает в настоящий момент надежную эксплуатацию".
Еще в 1983 году, на основании положительных выводов ЛИИЖТ и ЦНИИС, руководством метрополитена с участием начальника Главгосэкспертизы Госстроя СССР было снято ограничение скорости движения поездов на этом участке.
С тех пор тоннели, пересекающие "Размыв" эксплуатировались в "нормальном" режиме и "бомбили" опасное сечение обделки ударами колес по изолированному стыку, расположенному как раз над местом "сбойки" колец и середине "озера" - зоны пониженной плотности среды.