Преодоление тоннелями сбросов и сдвигов, совпадающих с простиранием пластов, сопряжено со значительными водопритоками и большим горным давлением.

Лекция №18 (05 11 16)

ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ АВАРИЙ

Анализ причин аварий дает возможность лучше понять закономерности в работе тоннельных сооружений, обратить внимание на недостатки проектных решений, устранение которых должно предупредить аварии и повысить надежность сооружения.

Аварии в тоннелях обусловлены комплексом причин (факторов), совокупность которых и определяет характер и степень опасности аварийной ситуации.

Несмотря на то, что аварии в строящихся и эксплуатируемых тоннелях проявляются по-разному, основные причины их возникновения одни и те же. К ним относятся:

- ошибки, вызванные недостаточной квалификацией или небрежностью в работе изыскателей, проектировщиков, строителей и эксплуатационников;

- нарушения режимов, норм и параметров, установленных правилами безопасности, инструкциями, руководствами, нормативными документами; несвоевременное проведение осмотров, ремонтов;

-аварии возникающие из-за конструктивных недостатков оборудования, недостаточной его надежности, несоответствия оборудования и материалов требованиям ГОСТов.

Ошибки при изысканиях

Ошибки при изысканиях проистекают в основном из-за неполно­го объема разведочных работ и геотехнических исследований и не­адекватной оценки геотехнической ситуации

Ошибки при проектировании

Ошибки при проектировании связаны с принятием неудачных конструктивных и технологических решений, несоответствием рас­четных схем тоннельных конструкций действительным, нарушени­ем требований нормативных документов.

Ошибки при строительстве

Ошибки при строительстве сводятся к низкому качеству производства тоннелестроительных работ, использованию дефектных материалов и изделий, нарушению проектных параметров и требований технических условий.

Ошибки при эксплуатации

Ошибки при эксплуатации заключаются в несвоевременном и недостаточно полном проведении обследований, ремонта и реконструкции тоннелей, в нарушении штатных режимов вентиляции, освеще­ния, водоотвода, правил безопасной эксплуатации сооружения.

В ряде случаев причинами аварий в тоннелях могут стать:

- стрем­ление к максимальной экономии и прибыли,

- неоправданное повы­шение скорости строительства, агрессивность окружающей среды,

- недостаточная согласованность между проектировщиками, строите­лями и эксплуатационниками.

Преднамеренные аварии

Различают также так называемые преднамеренные аварии, причинами которых являются военные действия или диверсии.

Стихийные и техногенные природные явления

Причиной аварий могут быть также стихийные природные явления (землетрясения, лавины, наводнения и др.).

Подавляющее большинство аварий в строящихся и эксплуатируемых тоннелях обусловлено недостаточным учетом или неверной оценкой многочисленных определяющих факторов, которые могут быть объединены в две большие группы: природные и техногенные.

К природным относятся в основном геотехнические факторы:

- состав и свойства грунтов и условия их залегания;

- режим и свойства подземных вод;

- физико-геологические процессы и явления (тектонические, сейсмические,

- карстово-суффозионные, геотермические).

Среди техногенных факторов, связанных с инженерной деятельностью человека, можно выделить следующие:

- изменение напряженно-деформированного состояния грунтового массива вследствие вскрытия котлованов,

- проходки соседних подземных выработок;

- естественное или искусственное понижение или повышение уровня грунтовых вод в районе строящегося или эксплуатируемого тоннеля;

- нарушение технологического режима проходки тоннеля;

- нарушение режима эксплуатации тоннеля.

Природные факторы

Геотехнические факторы должны быть учтены на всех этапах проектирования, строительства и эксплуатации тоннелей. Ошибки в оценке геотехнических условий могут привести к возникновению аварийных ситуаций, связанных с нарушением устойчивости грунтового массива, разрушениями и деформациями временной и постоянной крепи, прорывами подземных вод и плывунов, загазованностью и задымленностью воздуха, пожарами и взрывами, как при строительстве, так и в процессе эксплуатации тоннеля.

Например, неточные знания физических, прочностных, деформационных и реологических свойств грунтов приводят к ошибкам в определении нагрузок на тоннельные конструкции, выборе расчетной схемы обделки, установлении параметров буровзрывных работ, временной крепи, в принятии способа разработки грунта, технологии тоннелестроительных работ и в конечном итоге могут вызвать аварийную ситуацию.

Помимо знания свойств грунтов необходима правильная оценка массива в целом, его структурных особенностей: степени неодно­родности, анизотропии, естественной и искусственной трещиноватости, слоистости, сланцеватости и пр.

При расположении тоннелей в слоистых фунтах необходимо точ­но установить стратиграфию массива (условия залегания отдельных пластов, их мощность и ориентацию), чтобы избежать трассирова­ния тоннеля на контакте двух различных по своим свойствам грунтов. Это особенно важно при наличии круто наклонных пластов, что сопряжено с проявлением одностороннего горного давления на обделку в связи со скольжением одного слоя по другому, чему во многом способствуют глинистые включения между слоями.

При трассировании тоннеля в направлении, не совпадающем с простиранием пластов, наблюдается неравномерное распределение нагрузок по длине тоннеля. В связи с этим при проходке могут происходить обрушения породы в местах подрезания тоннелем слоги неустойчивых грунтов.

Одной из причин аварий, происходящих при строительстве и эксплуатации тоннелей, является неверная оценка гидрогеологичес­ких условий:

- глубины залегания,

- режима и физико-химических свойств подземных вод.

Проходка тоннельной выработки в водоносных фунтах ниже уровня грунтовых вод вносит нарушения в установившийся режим подземных вод, что приводит к увеличению скорости фильтрации и активизации физико-механического действия воды. В процессе проводки в толще водосодержащих фунтов происходит приток подземных вод в выработку, что может привести к затоплению тоннеля.

Грунтовые воды оказывают гидростатическое давление на кон­струкцию тоннеля, создают опасность его всплытия, нарушают ус­тойчивость грунтового массива за счет размягчения твердых и раз­жижения несвязных грунтов.

Расположенный ниже уровня грунто­вых вод тоннель представляет собой протяженную преграду для подземных вод. Перед тоннелем возникает подпор, а с противоположной стороны — понижение уровня грунтовых вод. Вследствие этого увеличивается давление воды на стены и подошву тоннеля, возможны осадки основания и повреждения обделки.

Водоприток и гидростатическое давление возрастают с увеличе­нием глубины заложения тоннеля.

При проходке тоннелей на боль­ших глубинах водоприток может быть весьма значительным даже в грунтах с низкой степенью водопроницаемости (Кф=10-6см/с), а гид­ростатическое давление на глубине 1 км может достигать 8—1МПа.

Понижение уровня грунтовых вод приводит к заметному воз­растанию напряжений в грунте в результате действия собственной массы грунта, что влечет за собой значительные дополнительные осадки. Кроме того, в процессе откачки воды возможен суффозионный вынос мелких пылеватых частиц, что также сказывается на деформациях и уплотнении пород.

Подземные воды способствуют обрушению грунта в тоннель, уменьшая связи между частицами мягких пород, создавая дополни­тельные плоскости скольжения, образуя пустоты растворением и вымыванием гидронестойких пород, вызывая пучение глинистых грунтов.

Основной причиной загазованности и задымленности воздуха в тоннеле является пересечение его трассой нефтеносных, битуминоз­ных, соленосных пород, а также вскрытие полостей, заполненных природными газами, которые характеризуются содержанием боль­шого количества ядовитых и взрывоопасных компонентов.

Наиболее часто в подземных выработках встречаются метан СН4, моноксид углерода СО, диоксид углерода СО2, сероводород H2S, диоксид серы SO2 и аммиак NH3.

Различные газы и соединения (моноксид углерода СО, углево­дороды СmНn, оксиды азота NOx и др.) выделяются работающими в строящихся тоннелях дизельными или карбюраторными двигателя­ми, установленными на горнопроходческом оборудовании, а в эк­сплуатируемых тоннелях — двигателями транспортных средств.

Нередко возникают условия, при которых содержание в воздухе тоннеля токсичных и горючих газов превышает предельно допусти­мую концентрацию, а процентное содержание кислорода недостаточно.

Загазованность воздуха в тоннеле часто сопровождается задымленностью, когда частицы углерода, СО2 и оксиды азота NO обра­зуют коричневый дым, что ухудшает условия видимости и тем са­мым повышает вероятность возникновения аварии. Сильная задымленность воздуха наблюдается также при пожарах и взрывах в тон­нелях.

Очень часто причиной аварий в тоннелях являются неблагопри­ятные физико-геологические процессы:

- гравитационные,

- сейсмические,

-тектонические, геотермические,

- карстово-суффозионные и др.,

которые сопровождаются такими геологическими явлениями, как вывалы и обрушения породы, стреляния и горные удары, внезапные прорывы подземных вод и плывунов, выбросы пород и газов, нагревание горных пород и подземных вод, набухание и усадка пород, морозное пучение и др.

Образовавшиеся в результате геотектонических дислокаций различные формы строения участков земной коры — тектонические структуры:

-складки,

-сбросы,

- выбросы,

-сдвиги,

-надвиги,

разломы,

представляют повышенную опасность для строящихся и эксплуатируемых тоннелей.

Так, при проложении тоннеля по оси синклинальной складки обделка испытывает значительное вертикальное и горизонтальное давление, а в крыльях антиклинальной складки возникает односто­роннее горное давление. В ядрах антиклинальных складок более древние горные породы обычно раздроблены, поэтому высока веро­ятность вывалов породы, особенно при пересечении тоннелем замка антиклинальных складок.

Преодоление тоннелями сбросов и сдвигов, совпадающих с простиранием пластов, сопряжено со значительными водопритоками и большим горным давлением.

В зонах тектонических разломов при наличии сильнотрещиноватых и неустойчивых фунтов, в ряде случаев перемятых и раздробленных до состояния дресвы, резко воз­растают горное давление и приток подземных вод и газов и возмож­ны вывалы и обрушения грунтов, разрушения временной и посто­янной крепи.

Степень риска аварийных ситуаций возрастает при строительст­ве тоннелей на больших глубинах (1—2 км и более) в связи с изме­нением прочностных и деформационных свойств грунтов и проявлением таких неблагоприятных физико-геологических явлений, как стреляние, горные удары, толчки, внезапные выбросы пород и газа и повышение температуры.

Стреляние и горные удары — результат проявления тектонических сил в виде внезапного крупного разрушения наиболее напря­женной части массива, сопровождающегося обрушением грунта в тоннельную выработку, сильным звуком и мощной воздушной волной.

Прогнозирование интенсивности и характера проявления гор­ных ударов вызывает значительные трудности и требует постоян­ных инструментальных наблюдений за напряженно-деформирован­ным состоянием породного массива.

К аварийным ситуациям в строящихся тоннелях приводят внезапные выбросы горных пород и газа, когда раздробленные и из­мельченные породы выбрасываются в забой подземной выработкивместе со значительным количеством метана, азота, углекислого газа и пр.

В подземном строительстве зафиксированы случаи неожидан­ного прорыва горячего пара под высоким давлением.

Если температура воздуха в забое строящегося тоннеля превы­шает +26°С при относительной влажности более 90%, запрещается производить работы без искусственного охлаждения воздуха. Опре­деленные сложности возникают и при эксплуатации тоннелей в ус­ловиях высоких температур.

В суровых климатических условиях (в северных районах, в зо­нах многолетней мерзлоты) причинами аварий могут быть промер­зание обделки с последующим ее разрушением и обледенение про­езжей части и эксплуатационного оборудования.

Степень риска значительно повышается при пересечении трассой тоннеля зон повышенной трещиноватости, участков резкого изменения рельефа местности, зон тектонических разломов и неустойчивых склонов.

Несмотря на то, что тоннели в меньшей степени, чем наземные сооружения, подвержены воздействию землетрясений, в ряде случа­ев имеют место серьезные аварии, связанные с обрушением породы, затоплением выработки, разрушением крепи.

Вызванные землетря­сением обрушения откосов, оползни и сдвиги в породном массиве приводят к значительным повреждениям и разрушениям порталов и припортальных участков.