Аварии в подземном строительстве. Часть 1
Фундаментальным требованием в подземном строительстве является безопасность. Тем не менее аварии и обрушения пород время от времени происходят. Они вызываются геологическими условиями и часто имеют элемент непредсказуемости. Разовьются ли потенциальные опасности в реальные аварии, зависит не только от сложности условий, но также и от действий персонала. Участники строительства извлекают необходимые уроки из неудач и несчастных случаев, более глубоко понимая поведение материалов и физических явлений.
Причины аварий не сразу становятся понятными наблюдателям и исследователям. Так, первые сообщения прессы об обрушении туннеля, прилегающего к автотрассе Николь Хайвей в Сингапуре, причиной аварии называли взрыв газа.
Описанные далее аварии и результаты их обследований, компьютерные модели, теоретические исследования показывают, что для предотвращения аварий необходимы обширные геологические и гидрологические изыскания, детальные проработки дизайна, тщательное выполнение строительных операций.
1. ОБРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
ТУННЕЛЬ НИКОЛЬ ХАЙВЕЙ, СИНГАПУР
Сингапур до 2004 г. справедливо гордился своей разветвленной системой метрополитена, его безопасностью и очень небольшим числом несчастных случаев в строительстве. Станции метро строились открытым способом — траншеями с поверхности с применением так называемых «стен в грунте» и стальных распорных балок, удерживающих устойчивость этих стен.
Строящийся туннель, где произошло обрушение, составлял часть Кольцевой линии метро, примыкающей к автомобильной магистрали Николь Хайвей. Туннель входил в вертикальный ствол доступа диаметром 34 м, закрепленный бетоном и предназначенный для спуска и монтажа (и последующего демонтажа и подъема) буровой туннельной машины. С ее помощью должен был проходиться следующий участок Кольцевой линии метро.
Участок строительства был сформирован за 40 лет до начала работ слоем насыпного песка мощностью 3–5 м, размещенного на мелком морском дне, состоящем из мягкой глины. Под морскими отложениями имеется несколько метров наносных грунтов, и далее — слабо связанные песчаники, выветренные сверху до плотного песка.
Туннель располагался в зоне отдыха вдоль улицы Николь Хайвей — двойной трехрядной городской магистрали. Глубина туннеля 33,3 м определилась планами построить в этом туннеле над линией метро автомобильную линию. Экскавационные работы в день аварии велись на глубине около 30 м. Бетонные стены в грунте толщиной 0,8 м и высотой 41,3 м строились на расстоянии 20 м одна от другой. На девяти уровнях устанавливались горизонтальные стальные фермы, противодействующие боковому давлению грунтов. Готовился к установке их десятый уровень. Расстояние по вертикали между уровнями ферм составляло 3–3,5 м. Горизонтальные фермы связывались центральными вертикальными балками.
Такой дизайн комбинации стен в грунте с повторным использованием балок с болтовыми соединениями широко применялся в Сингапуре более 25 лет на глубине 18–20 м. Однако экскавация в мягких глинах до глубины 30 м ранее не испытывалась.
При разработке компьютерной модели дизайна строительства использовался метод так называемых конечных элементов.
Еще до экскавационных работ для усиления туннельных пород производилась струйная цементация грунтов, создавшая в двух горизонтальных слоях связи, которые должны были работать, как скрытые балки на стадиях 9–10 и ниже финальной экскавации. Толщина первого цементируемого слоя равнялась 1,5 м, второго — 2,5 м. Целью этой цементации было минимизировать смещение стен в ходе экскавации туннеля. Для надежного закрепления будущих структур туннеля метро с поверхности земли были пробурены буронабивные сваи с диаметрами от 1,4 до 1,8 м на расстоянии друг от друга 4–6 м.
Однако, несмотря на превентивные решения, еще за два месяца до аварии возникли проблемы у соединений балок с элементами их крепления, что вызвало необходимость модификации жесткости общей конструкции. Примерно в это же время у экспертов появились критические замечания к компьютерной программе, которые говорили об ошибках в расчетах вращающих и изгибающих моментов.
Утром 20 апреля 2004 г. обнаружились деформации в соединениях балок на 8-м и 9-м уровнях. Эти места были залиты бетоном. Компьютерная проверка, основанная на мониторинге, показала, что усилия, возникшие в балках в этом месте, были ниже опасных. Тем не менее позднее в то же утро ситуация ухудшилась. Деформации балок увеличились. К полудню рабочие получили приказ эвакуироваться. Однако приказ запоздал, произошло обрушение и четверо рабочих погибли.
Около 80 м длины стен туннеля сблизились, металлические балки разрушились, примыкающие к туннелю грунты поверхности осели на примерно 13 м, и общая площадь оседания расширилась до радиуса около 50 м. Обрушения в туннеле были драматическими. На длине 80 м туннель полностью обрушился. Две стены в грунте сблизились с разрушением или большим смещением девяти уровней стальных балок. Грунт вне зоны экскавации осел, формируя кратер с диаметром около 100 м и максимальной глубиной около 13 м. Обрушение также распространилось на шестирядную ширину Николь Хайвей. К счастью, автомобили не были задеты обрушением, но четверо строителей погибли в момент аварии. Была разорвана газовая магистраль под дорогой, из-за чего пресса решила, что именно взрыв газа привел к катастрофе.
Основными причинами аварии была переоценка прочностных качеств грунтов, в которых был расположен туннель, и недооценка конструктивных недостатков примененной металлической распорной крепи в строящемся туннеле.
В результате аварии окончание строительство было перенесено с 2010 г. на 2011 г. Частично построенные подземные структуры были закрыты, а взамен построенные располагались в 100 м от места обрушения.
ТУННЕЛЬ РАШТАТТ, ГЕРМАНИЯ
12 августа 2017 г. датчики на полотне скоростной железнодорожной магистрали Карлсруэ — Базель показали оседание существующих путей на 0,5 м и их искривление на участке длиной 6–8 м. В этом районе комплекс из двух строящихся туннелей с диаметрами 9,97 м, длиной по 4 270 м, в которых должны были размещаться дополнительные пути магистрали, приближался к ней под острым углом. Породы, в которых проходился туннель, обрушились, что привело к деформации путей.
Движение по магистрали было остановлено, а для обслуживания пассажиров между Раштаттом и Баден-Баденом были введены аварийные автобусы. Из нескольких домов в окрестностях аварии жители были эвакуированы.
Туннели в этом районе проходят на глубине до 19 м и покрыты слоем грунтов толщиной до 5 м. На участке длиной 200 м грунты, в которых под существующими рельсами проходился туннель, состоящие из обводненных песков и гравия, замораживались охлаждающей жидкостью с температурой -330 . Заморозка производилась горизонтальными скважинами длиной по 100 м, пробуренными из двух стволов доступа глубиной по 30 м. Из каждого ствола бурились 42 скважины, создавая вокруг туннелей замороженное кольцо грунтов толщиной 2 м. Туннели проходились буровыми туннельными машинами через полностью замороженный материал, и это было инновационным решением в применении таких машин.
Восточный туннель проходился с переменным опережением западного. В результате аварии буровые машины в обоих туннелях были остановлены. Для того чтобы остановить обрушение, были заморожены не только те участки, через которые проходила подземная часть туннеля, но и построенные открытым способом с поверхности, а также девять поперечных соединений туннелей.
Непосредственной реакцией строителей на событие было бурение трех скважин с поверхности в туннель для подачи в него цементного раствора и создания бетонной перемычки на расстоянии 150 м от головки буровой туннельной машины. Затем участок туннеля диаметром 9,5 м (после установки железобетонных сегментов крепи) на этой длине был заполнен бетоном объемом 10 500 м3 , для того чтобы предотвратить дальнейшую просадку существующих рельсовых путей. Железнодорожное полотно укладывалось на массивную бетонную плиту длиной 270 м и толщиной 1 м с весом бетона 3 000 т и металлической арматуры 540 т.
Анализ причин аварии показал, что крепь туннеля, состоящая из семи сегментов толщиной 500 мм, образующих кольцо крепи шириной 2 м, не потрескалась и не разрушилась, однако между сегментами создались щели, через которые в туннель поступала вода, вымывающая породу в полость туннеля. Это было свидетельством некачественной заморозки окружающих пород и, возможно, их излишней экскавации при работе буровой туннельной машины.
Средства массовой информации подозревали, что причиной разморозки стала необычно жаркая погода, совпавшая с периодом тяжелых дождей.
В начале 2018 г. начались работы по разборке бетонной перемычки в туннеле с объемом 2 000 м3 , за которую закачивался цементный раствор. Для этого использовался экскаватор со специальными режущими приспособлениями, отбойные молотки и резаки.
Средства массовой информации подозревали, что причиной разморозки стала необычно жаркая погода, совпавшая с периодом тяжелых дождей.
Статья была опубликована в октябрьском номере журнала «Наука и техника» за 2019 год