Аварійні ситуації при будівництві та експлуатації підземних споруд. Частина 1

Крім перерахованих вище, причинами аварій можуть стати: прагнення до максимальних економії і прибутку, невиправдане підвищення швидкості будівництва, агресивність навколишнього середовища, недостатня узгодженість між проектувальниками, будівельниками та експлуатаційниками, стихійні природні явища (землетрусу, лавини, повені). Зазвичай, в перші 5-10 років після будівництва не спостерігається ніяких серйозних пошкоджень конструкцій і сервісного обладнання. Через 15-25 років після початку експлуатації виникають дефекти, пов'язані з різкими коливаннями температури повітря на пріпортальних ділянках, агресивними водами, обмерзанням, опадами основи тощо Через 50 - 70 років виявляються наслідки невдалого проектування і будівництва, явища старіння матеріалів конструкції і навколишнього грунту. Найпоширеніші аварії, як у споруджуваних, так і в експлуатованих спорудах, пов'язані з: 1. обваленнями породи, 2. затопленнями; 3. загазованістю повітря; 4. пожежами та вибухами, 5. антропогенними впливами. Обваленням називається непередбачене зрушення гірських порід з відокремленням від масиву шматків, блоків, брил і т.п. Його причиною є ослаблення сил тертя між окремими частинами масиву, що переходять зі стану спокою в стан руху. Найчастіше обвалення породи в забої або привибійної зоні мають місце при проходці гірськими способами в зонах слабостійких грунтів з різними технологічними порушеннями. До них відносяться: тривале перебування призу-бійню ділянки на тимчасовій кріплення; несвоєчасне та недостатньо надійне закріплення лоба забою; установка тимчасового кріплення недостатній несучій здатності і жорсткості. При проведенні виробок закритим способом обвалення зазвичай відбуваються в безпосередній близькості від вибою виробки або в самому забої. При будівництві на глибині до 30 м в стійких породах проявляється розвантажувальної дію зведення в грунті. Однак при порушенні цих умов, зокрема, при водотоку, розвантажує ефект зникає і відбувається обвалення породи (рис. 6.1, а).

При наявності тектонічних порушень обвалення можуть відбуватися безпосередньо в зоні тектонічного порушення або на її кордоні. У процесі проходки грунт прагне осідати вниз і переміщатися уздовж тунелю в бік порталу. Під час перетину тектонічних зон, або за наявності попереду по трасі тунелю більш щільного масиву, зсув породи вперед • стає неможливим і відбувається вивал (рис. 6.1, б). Нерідко вивали можуть відбуватися в привибійній зоні на відстані близько 50 м від вибою, там, де зникає підтримує вплив породного масиву (рис. 6.1, в). У тих випадках, коли зведення оброблення йде з відставанням, обвалення породи можуть відбуватися на кордоні переднього торця вже зведеній оброблення (рис. 6.1, г). Причинами обвалення також можуть бути зниження рівня грунтових вод (УГВ) і витяг із забою валунів і великих кам'янистих включень. Купол вивала може поширюватися до поверхні землі, утворюючи воронку вивала (рис. 6.2), або може перебувати в різному ступені стабілізації, що визначається властивостями і характером нашарування порід. Найбільш небезпечна нестійка стабілізація вивала в м'яких і слабостійких породах; при якій може відбуватися його подальший розвиток, що супроводжується обваленнями великих мас породи. При будівництві підземних споруд відкритим способом обвалення грунту зазвичай відбувається у вигляді зсувних тіл, обмежених площинами ковзання. Обвал і зсувів призводять до рухів і деформацій породного масиву, що супроводжується опадами денної поверхні, втратою стійкості фундаментів будівель і споруд, розташованих в безпосередній близькості від місця аварії, пошкодженням наземних і підземних комунікацій, покриттів автомобільних доріг і верхньої будови шляхів залізниць.

При раптовому обваленні породи в споруджуваному підземному спорудженні можливі загибель і травматизм обслуговуючого персоналу, руйнування і вихід з ладу гірничопрохідницького устаткування .. Механізовані щити і тунелепрохідницькі машини з виконавчими органами планетарного і роторного дії можуть бути повністю заблоковані в забої обрушилася породою. Це призводить до серйозних пошкоджень і руйнування робочого органу, корпуси та обладнання щитів і тунелепрохідницьких машин, викликає необхідність ремонту прохідницького агрегату на місці (що зазвичай вкрай важко) або його демонтажу і видалення з вироблення. Для доступу до прохідницькому агрегату доводиться вести проходку допоміжних виробок (шахтних стволів, штолень, котлованів) і виконувати роботи по стабілізації породного масиву шляхом водозниження, заморожування, тампонажу або хімічного закріплення. Все це пов'язано зі значними матеріальними витратами та збільшенням термінів будівництва. При веденні прохідницьких робіт нижче вже існуючих, виробок, особливо занедбаних з порушеною кріпленням, при зростанні навантаження на кріплення збереглася старої виробки від будівництва нових будинків і споруд, вібрації від ведення будівельних робіт, роботи машин і механізмів, затоплення занедбаних виробок і тому подібних явищ, можлива активізація зрушення грунтів і гірських порід, що; призводить до утворення провалів і локальних осідань земної поверхні. Над горизонтальними виробками з глибиною закладення до 80-100 м деформації земної поверхні проявляються у вигляді провалів і мікромульд зрушення, що характеризуються невеликою площею, неправильної конфігурацією в плані, великою кривизною бортів, великими вертикальними і горизонтальними деформаціями земної поверхні. Над вертикальними виробками (стовбурами, шурфами, свердловинами і т.п.) деформації розвиваються, як правило, у вертикальному напрямі в місці їх виходу на земну поверхню з утворенням осідань поверхні і воронок обвалень [Нестеренко, Феофанов, 1998]. Процес руйнування при цьому несиметричний щодо осі стовбура і протікає по черзі у довільній послідовності в межах конуса обвалення. У глибинній частині руйнування, в основному, виникають в околиці слабких прошарків порід. Форми порожнин руйнувань несиметричні, при цьому обсяг зруйнованих більш міцних порід, що примикають до більш слабкого шару, може в 4-5 разів перевищувати обсяг зруйнованих слабких порід [Звягільський, 1998]. У міру засипання вироблення, раніше обрушилися оголення стають стійкими і процес руйнування загасає.

У експлуатованих підземних спорудах обвалення, як правило, відбуваються в окремих місцях. Обрушилася порода може повністю або частково заповнити ділянку вироблення, утворюючи завал. Завали поділяють на: глухі (рис. 6.3, а); завали з відривом (рис. 6.3, б); завали перехідного типу (рис. 6.3, в). Причиною обвалень служить незнання або недооцінка геологічних умов або неправильна інтерпретація результатів вимірів, що веде до прийняття помилкових рішень при проектуванні і будівництві. Зокрема, неточні знання фізичних, міцнісних, деформаційних та реологічних властивостей гірських порід, що складають масив, призводять до помилок у визначенні навантажень на конструкції, виборі розрахункової схеми, встановлення параметрів буропідривних робіт, тимчасового кріплення, у прийнятті способу розробки грунту, технології прохідницьких робіт і , в кінцевому підсумку, можуть викликати аварійну ситуацію. Крім знання свій ств гр унтів і гірських порід необхідна правильна оцінка масиву в цілому, його структурних особливостей: ступеня неоднорідності, анізотропії, природної і штучної тріщинуватості, шаруватості, сланцеватості і т.п. Частими причинами аварій в підземних спорудах є несприятливі фізико-геологічні процеси: гравітаційні, сейсмічні, тектонічні, геотермічні, карстово-суфозійних та ін, що супроводжуються вивалами і обваленнями породи, стріляних і гірськими ударами, раптовими проривами підземних вод і пливунів, викидами порід і газів , нагріванням гірських порід і підземних вод, набуханням і усадкою порід, морозним обдиманням грунтів та ін Різні форми будови ділянок земної кори, які утворилися внаслідок Геотектонічні дислокацій (складки, скиди, викиди, зрушення, насуви, розломи), представляють підвищену небезпеку для споруджуваних і експлуатованих підземних об'єктів. Так, при проходці тунелю по осі синклинальной складки, обдєлка відчуває значне вертикальне і горизонтальне тиск, а в крилах антиклинальной складки виникає одностороннє гірський тиск (рис. 6.4). У ядрах антиклінальних складок більш древні гірські породи зазвичай роздроблені, тому висока ймовірність вивалів породи, особливо при перетині тунелем замку антиклінальних складок. Подолання виробленням скидів і зсувів, які збігаються з простяганням пластів, пов'язане зі значними водопритіків і великим гірським тиском.

У зонах тектонічних розломів, при наявності сильно тріщинуваті і нестійких грунтів, різко зростають гірський тиск, приплив підземних вод і газів, можливі вивали та обвалення грунтів, руйнування тимчасового кріплення і оброблення виробітку. Ступінь ризику зростає при будівництві на великих глибинах (порядку 1-2 км і більше). Це пов'язано зі зміною міцнісних та деформаційних свій ств гр унтів і проявом таких несприятливих фізико-геологічних явищ, як стріляні, гірничі удари, поштовхи, раптові викиди порід і газу, підвищення температури. Стріляні і гірські удари - результат прояву тектонічних сил у вигляді раптового крихкого руйнування найбільш напруженою частини масиву, що супроводжується обваленням грунту у виробку, сильним звуком і потужною повітряною хвилею. Для прогнозування інтенсивності та характеру прояву гірських ударів необхідний постійний інструментальний контроль напружено-деформованого стану масиву. Причинами аварійних ситуацій в споруджуваних виробках можуть бути раптові викиди гірських порід і газу, коли роздроблені і здрібнені породи викидаються в забій разом зі значною кількістю метану, азоту, вуглекислого газу та ін Зафіксовані випадки несподіваного прориву гарячої пари під високим тиском [Макаров, Меркін, 1991]. Підвищений ризик аварій при будівництві та експлуатації підземних споруд виникає в сейсмічно активних районах. Ступінь ризику підвищується при перетині трасою тунелю зон підвищеної тріщинуватості, ділянок різкої зміни рельєфу місцевості, зон тектонічних розломів і нестійких схилів. Хоча підземні споруди у меншій мірі, ніж наземні, піддаються впливу землетрусів, можливі аварії, пов'язані з обваленням породи, затопленням вироблення, руйнуванням кріплення. Викликані землетрусом обвалення укосів, зсуви та зрушення в масиві призводять до значних пошкоджень і руйнувань порталів і пріпортальних ділянок. У багатьох випадках причиною аварії є карстово-суфозійних явища. За рахунок розмивання та хімічного розчинення деяких гідронестойкіх грунтів (вапняків, гіпсів, доломітів, мергелів) утворюються воронки, порожнечі і печери. Наявність невиявлених порожнин у грунтовому масиві (відкритих чи заповнених продуктами розчинення) представляє потенційну небезпеку для споруджуваних і експлуатованих підземних об'єктів, тому що порушується стійкість масиву, можливо обвалення карстових порожнин, здатних викликати затоплення і пошкодження конструкції споруди. Найбільша небезпека для підземного об'єкта виникає при його розміщенні в масиві закарстованих водонасичених грунтів, особливо у разі розташування карстових порожнин безпосередньо під підошвою виробки, а також якщо під час будівництва порушуються або знищуються слабкопроникним глинисті відклади, що покривають закарстованих товщу.