Аварійні ситуації при будівництві та експлуатації підземних споруд. Частина 2

Аварійні ситуації при будівництві та експлуатації підземних споруд. Частина 2 Нерідко причиною аварій можуть бути такі природні явища, як зсуви, снігові лавини, селі, каменепади. При невдалому розташуванні ділянок виробок в межах нестійких схилів, схильних до цих явищ, ділянки підземної споруди можуть бути деформовані або зруйновані. Іншою причиною аварій є невірна оцінка гідрогеологічних умов: глибини залягання, режиму і фізико-хімічних властивостей підземних вод. Проходка у водоносних грунтах нижче УГВ призводить до порушень в усталеному режимі підземних вод, що викликає збільшення швидкості фільтрації та активізацію фізико-механічного дії води. При будівництві в товщі водомістких грунтів відбувається приплив підземних вод у виробки, що може викликати затоплення. Грунтові води надають гідростатичний тиск на конструкцію оброблення, створюють небезпеку спливання споруди, порушують стійкість масиву за рахунок розм'якшення твердих і розрідження незв'язних грунтів. Розташоване нижче УГВ підземна споруда є перешкодою для підземних вод. Перед ним виникає підпір, а з протилежного боку - зниження УГВ. Це збільшує тиск води на оброблення вироблення, призводить до опадів підстави та ушкоджень оброблення. Водоприток і гідростатичний тиск зростають зі збільшенням глибини залягання. При проходці на великих глибинах водоприток може бути досить значним навіть у грунтах, що мають невелику водопроникність, а гідростатичний тиск на глибині 1 км може досягати 8-10 МПа.

Зниження УГВ призводить до зміни напружено-деформованого стану масиву: зростають напруги в грунті в результаті збільшення його власної ваги, з'являються додаткові опади. Крім того, в процесі відкачки води можливий суфозійних винос дрібних пилуватих частинок, що також позначається на деформаціях і ущільненні грунту. Підземні води зменшують зв'язку між частинками м'яких порід, створюють додаткові площини ковзання, утворюють порожнечі розчиненням і вимиванням гідронестойкіх порід, викликають пучение глинистих грунтів. Все це сприяє обвалення грунту у виробку. Обвал породи в експлуатованих підземних спорудах призводять до руйнування оброблення, внутрішніх конструкцій і виходу з ладу експлуатаційного обладнання. Для ліквідації наслідків обвалу припиняється експлуатація і проводяться ремонтно-відновлювальні роботи, а при численних обваленнях - реконструкція всього об'єкта. Руйнування конструкцій підземних споруд, що володіють недостатньою несучою здатністю і жорсткістю, можуть відбуватися як незабаром після введення в експлуатацію, так і через багато років, перш ніж виникне аварійна ситуація. Наприклад, у червні 1967 року, через 1,5 року після введення в експлуатацію гірського автодорожнього тунелю Секі (Японія) довжиною 1140 м, в його бетонною оброблення з'явилися тріщини, які швидко росли. Тунель був закладений на глибині до 170 м від поверхні в товщі порівняно слабких скельних порід. Проведені обстеження показали, що деформації тунелю викликані прорахунками при проектуванні і непередбачуваними змінами гірських порід.

Затоплення найчастіше трапляються при будівництві підземних споруд закритим способом в нестійких водонасичених грунтах або нижче рівня грунтових вод в умовах підвищеного гідростатичного тиску. Аварійні випадки проривів води або обводненій гірської маси (пухких водонасичених грунтів, що володіють пливунами властивостями) - це раптове і посилене їх надходження у виробку, що відбувається в результаті мимовільного або примусового руйнування водотривких порід, перемичок, обваловки і комунікацій. Прориви призводять до часткового або повного затоплення виробки, виведення з ладу гірничопрохідницького обладнання, травм і загибелі персоналу. Основні джерела раптових проривів: поверхневі водойми (ріки, озера, водосховища), поверхневі зливові і паводкові води, підземні водоносні горизонти. Прориви води з поверхневих водойм характеризуються величезними притоками по зонах тектонічних порушень. Прориви зливових та паводкових вод пов'язані з відсутністю огорож на поверхні. Прориви води в гірничі виробки поділяють на прориви, що не містять механічних домішок, і на забруднені води із значним вмістом мулистих і піщано-глинистих частинок. Найбільшу небезпеку становлять прориви пливунів, що відбуваються на контакті пливуна з щільним грунтом або при недостатній потужності щільних грунтів. Від кількості винесеного матеріалу залежать наслідки аварій у виробках: часткове затоплення, замулювання або повне їх запечатування на великій протяжності, поховання механізмів і машин, утворення пустот в гірському масиві, провалів або мульд осідання на земній поверхні. Найбільш характерні схеми проривів показані на рис. . Звичайно, на самому початку раптового прориву, притоки води досить незначні, потім, за короткий проміжок часу (від декількох десятків хвилин до декількох годин), швидко зростають і досягають свого максимального значення, після чого повільно (протягом декількох годин або доби) зменшуються і , в деяких випадках, припиняються.

Прориви незабрудненій води за величиною припливу поділяються на наступні категорії [містків, 1992]: - невеликі - до 100 м3 / год; - середні - 100 + 500 м3 / год; - великі - 500 + 1000 м3 / год; - катастрофічні - більше 1000 м3 / ч. При будівництві тунелів мілкого закладення затоплення відбуваються, частіше за все, в результаті розриву магістральних водопроводів або теплотрас, які опинилися в зоні впливу гірничих робіт. Підземне будівництво в умовах сильного водотоку вимагає вжиття спеціальних заходів з водоподавлен. Ефективність цих заходів багато в чому залежить від ступеня достовірності прогнозу гідрогеологічної ситуації, яка характеризується розташуванням і режимом підземних вод, будовою і властивостями грунтів. Помилки в прогнозі гідрогеологічної ситуації в багатьох випадках призводять до виникнення аварійних ситуацій, що значно ускладнює ведення гірничопрохідницьких робіт, знижує їх темпи, а іноді викликає часткове або повне затоплення споруджуваного споруди. При цьому змінюється природний режим руху грунтових вод, що може, у свою чергу, призвести до втрати стійкості породного масиву. Катастрофічні затоплення підземних виробок нерідко трапляються при проведенні підводних тунелів.

Підземні роботи під річками, каналами, морськими затоками і протоками ведуться, переважно, в слабких нестійких грунтах під великим гідростатичним тиском, що вимагає виняткової обережності при веденні гірничопрохідницьких операцій, попереднього дослідження надійності захисних властивостей породної покрівлі і забійного простору, підготовки ефективних заходів з техніки безпеки , розробки захисту проти стихійного прориву води. Найбільша вірогідність прориву води в забій при проходці підводних тунелів закритими способами виникає у разі гідравлічної зв'язку грунтових і поверхневих вод. Історія будівництва підводних тунелів під великими водними перешкодами налічує численні приклади аварій, пов'язаних із затопленням тунельних виробок. Наприклад, при проходці підводних тунелів під Ірландським морем на глибині 240 м від дна несподівано прорвалася вода затопила вироблення, в результаті чого загинули 40 чоловік. При будівництві підводних виробок в Японії, внаслідок раптового прориву води, загинули 240 людей. Найбільш великі сучасні аварії сталися при будівництві підводних тунелів Сейкан в Японії і під протокою Великий Бельт у Данії. Експлуатовані споруди можуть бути затоплені зливовими і паводковими водами при недостатньо ефективних захисних заходах. Крім цього причиною потрапляння води в експлуатоване споруда можуть бути пошкодження конструкції оброблення, вихід з ладу дренажу, порушення суцільності гідроізоляції. Часткове затоплення підземного об'єкту викликає порушення його нормальної експлуатації, пошкодження елементів конструкції та інженерного обладнання, а раптове сильне затоплення - аварійну ситуацію з людськими жертвами. Загазованість повітря у споруджуваних або експлуатованих підземних спорудах вище допустимих меж може призвести до таких аварійних ситуацій: отруєння людей, пожеж і вибухів легкозаймистих і вибухонебезпечних речовин, газової корозії матеріалу обробки і експлуатаційного обладнання. Аварійна ситуація може бути викликана непрогнозованим стійким перевищенням у повітрі робочої зони гранично допустимих концентрацій (ГДК) отруйних, шкідливих інертних або вибухонебезпечних газів. Аварії виникають при незадовільній організації провітрювання, відсутності або ослабленні систематичного контролю за вмістом газу в повітрі виробок. Джерелом утворення отруйних або вибухонебезпечних газів можуть служити технологічні процеси (вибухові роботи, штучне заморожування грунтів тощо), а також геологічний склад навколишніх порід на ділянках будівництва тунелів. Найбільша кількість (23%) аварійних ситуацій припадає на будівництво об'єктів в породах, насичених нафтопродуктами або газоносних, а також під час ведення вибухових робіт (20%).

Приблизно 30% всіх аварій відбувається при виконанні операцій, пов'язаних з штучним заморожуванням грунтів. Основні причини загазованості і задимленості повітря в підземній споруді: перетинання його трасою нафтоносних, бітумінозних, соленосних порід, а також розкриття порожнин, заповнених природними газами, що характеризуються вмістом великої кількості отруйних і вибухонебезпечних компонентів. Найбільш часто в умовах підземного будівництва зустрічаються м (тан, моноксид вуглецю, діоксид вуглецю, сірководень, діоксид сірки та аміак. Різні гази і сполуки (монооксид вуглецю, вуглеводні, оксиди азоту та ін) виділяються дизельними або карбюраторними двигунами, встановленими на гірничопрохідницького устаткування і на транспортних засобах. Нерідко вміст у повітрі токсичних і горючих газів перевищує гранично допустиму концентрацію, а процентний вміст кисню стає недостатнім. Гази потрапляють в експлуатоване споруда з навколишнього грунтового масиву через обробку (при відсутності спеціальної газоізоляціі), виділяються двигунами транспортних засобів, експлуатаційним обладнанням і при диханні людей, і можуть викликати різні аварійні ситуації. Негативні наслідки загазованості повітря поглиблюються при недостатньо ефективної вентиляції, а також у разі несправності або несподіваного відключення вентиляційної системи. При зведенні підземних об'єктів в газоносних породах виконують систематичний дозиметричний контроль різних газів і хімічних сполук.

Для визначення концентрації небезпечного навіть у малих дозах оксиду вуглецю (чадного газу) СО розроблені різні прилади: портативні переносні і автоматичні стаціонарні пристрої - аналізатори, що працюють на основі використання інфрачервоного випромінювання, електрохімічні детектори та ін Створені різноманітні детектори для виявлення присутності метану та визначення його концентрації, що працюють на основі використання різних хімічних та фізичних властивостей цього газу. Недолік кисню в атмосфері підземних виробок виявляють за допомогою приладів, обладнаних електрохімічними датчиками. Для визначення концентрації оксидів азоту, сірководню та аміаку застосовують спеціалізовані детектори. Загазованість повітря часто супроводжується задимленістю, коли частинки вуглецю і оксиди азоту утворюють коричневий дим, що погіршує умови видимості і підвищує ймовірність виникнення аварії. Сильною задимленістю повітря супроводжуються пожежі і вибухи. Пожежі та вибухи можуть призвести до руйнування обробки і тимчасового кріплення, обвалення породи, прориву підземних вод, виходу з ладу обладнання. Пожежі в експлуатованих підземних спорудах надзвичайно небезпечні у зв'язку з обмеженим простором, великим скупченням людей і труднощами їх швидкої евакуації, а також через віддаленість споруд від великих гарнізонів пожежної охорони та джерел води, труднощів проникнення до осередку пожежі та подачі достатньої кількості вогнегасних речовин, а також відсутності видимості. Для розвитку пожеж в умовах підземного об'єкта характерні: швидке задимлення повітря; висока концентрація токсичних газів; можливість скупчення горючих газів і парів у вибухонебезпечній концентрації; наявність високих температур (до 1500 ° С).

Незважаючи на те, що пожежі в тунелях трапляються значно рідше, ніж у наземних спорудах, наслідки їх, як правило, більш трагічні. При перших ознаках пожежі і пов'язаного з ним задимлення більшість знаходяться в підземній споруді людей можуть піддатися паніці; часто виявляються групові психози і колективна істерія. Пожежі та вибухи в споруджуваних і експлуатованих підземних спорудах відбуваються не тільки з-за сильної загазованості повітря вироблення і при підвищень температури навколишнього масиву, але і через порушення правил техніки безпеки при виконанні ряду робіт в тунелі (електро - і газозварювання, буровибухові роботи, ремонт електрообладнання, присутність легкозаймистих матеріалів). Частими причинами пожеж і вибухів у транспортних тунелях є раптові загоряння транспортних засоб дств в сл учае їх несправності, наїздів чи зіткнень (особливо таких транспортних засобів, які перевозять легкозаймисті або вибухонебезпечні вантажі), а також несправності електрообладнання в тунелі. У ряді випадків причиною аварійних ситуацій можуть стати порушення технології виконання робіт. Наприклад, несвоєчасне та недостатньо ретельне кріплення забою в слабостійких і нестійких грунтах може викликати обвалення породи. Порушення технічних умов і правил техніки безпеки при роботі під стисненим повітрям можуть призвести до проривів води з грунтом в забій і захворювання робочих кесонної хворобою, а також до виникнення пожеж. До аварій приводять і деякі порушення режиму експлуатації споруди. Так, раптова поломка або відключення системи освітлення може призвести до зіткнення транспортних засобів в автодорожніх тунелях. Вихід з ладу вентиляційного устаткування може викликати надмірну загазованість повітря, а відключення на тривалий час водовідливних пристроїв - затоплення виробки. Аварійні ситуації в споруджуваних і експлуатованих підземних спорудах призводять до несприятливих екологічних наслідків: порушень стійкості грунтового масиву, осіданням денної поверхні, пошкоджень наземних будівель, споруд та інженерних комунікацій, загазованості і задимлення повітряного басейну, підвищення шуму і вібрації на прилеглій території.