6 years ago
No comment

Sorry, this entry is only available in
Russian
На жаль, цей запис доступний тільки на
Russian.
К сожалению, эта запись доступна только на
Russian.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Если проходка туннеля или иной горизонтальной выработки ведется в породах, которые могут быть охарактеризованы как «достаточно однородные с геологической точки зрения», особых трудностей не возникает и опасности обрушения грунта нет. Независимо от того, крепкая порода или рыхлая, можно применять принципы горной механики, а метод извлечения, соответствующий данным условиям, можно выбрать на основании математических расчетов. Однако очень часто строительство туннеля приходится вести в породах с разными свойствами и сложной структурой. Если при этом определять и учитывать все геологические условия, сооружение туннеля будет очень дорогостоящим и потребует много времени. С другой стороны, если геология участка недостаточно хорошо изучена, проходка туннелей или проведение горных работ в слабом грунте могут привести к катастрофе.
Железнодорожный туннель Квинешей в Норвегии был построен в 1940 г. Через 8 лет он частично обрушился. В результате постепенного разрушения кровли туннеля в ней образовалась трубо-образная полость диаметром до 6 м и высотой более 30 м. Эта «труба» возникла вдоль пересечения двух разломов.
Разломы — это проблема, с которой инженеры-строители сталкиваются постоянно. Тип разломов обычно бывает невозможно предсказать, и они почти всегда являются плоскостями ослабления. Разломы развиваются в результате движения, происходящего между двумя блоками горных пород, поэтому они включают зоны обломочных пород, известных под названием брекчий, или пласты тонкоразмолотой породы — «жильной глинки», которая может содержать очень рыхлые глинистые минералы, щ
При обрушении в туннеле Квинешей одна трещина включала брекчию, слабо сцементированную растворимым кальцитом, а другая — монтмориллонитовую жильную глинку, этот глинистый минерал широко известен благодаря своему свойству разбухать при контакте с водой. Как обычно наблюдается вблизи разломов, порода была сильно трещиноватой; вода, поступившая из разлома, где содержался кальцит, вызвала разбухание монтмориллонита. В конце концов давление и вес породы стали чрезмерно большими для неукрепленной облицовки туннеля, и произошло обрушение. .
В гидроэнергетических системах обрушения туннелей происходят особенно часто в связи с тем, что на породы воздействуют огромные гидростатические силы, а также изменения давления, которые в свою очередь обусловлены неравномерным использованием водной энергии. В 1956 г. обрушился туннель Кемано на западном побережье Канады, прослужив всего два года. Туннель был практически завален обломками породы, падавшими из огромной разрастающейся каверны (более 20 м в поперечнике) на своде туннеля. Эта каверна сформировалась вдоль разлома, в котором мощность жильной глинки не превышала 5 см. Но по обеим сторонам от разлома в полосе шириной около метра порода стала более рыхлой в связи с тем, что она преобразовалась в хлорит — очень неплотный гидратированный минерал. Новый рыхлый материал был размыт, после чего и началось постепенное обрушение пород по обеим сторонам разлома. На удаление воды и обломков из туннеля и на укрепление свода каверны было затрачено 2 млн. долл., тогда как бетонная облицовка туннеля в зоне разлома обошлась бы гораздо дешевле, если бы с самого начала осознавали степень возможной опасности.
При сооружении туннеля Лемонтайм в Тасмании на тех участках, где имелись разломы, стенки туннеля были покрыты тонким защитным слоем бетона. Но это не помогло, всего лишь через пять месяцев после завершения строительства в 1969 г. туннель обрушился. Причиной опять были разломы. В данном случае двумя разломами, отстоящими друг от друга всего на 3 м, пересекались филлиты и кристаллические сланцы. Блок породы, зажатый между разломами, оказывал на тонкую облицовку туннеля слишком сильное давление, поэтому обрушение было неизбежным. При ремонтных работах были сооружены массивные стальные опоры, укрепившие примыкающую к разломам зону перемятых пород, но это опять-таки было сделано post factum.
Изучение геологических катастроф в туннелях позволяет привести множество самых разных примеров. Однако есть туннель, в котором наблюдалось сочетание практически всех известных типов геологических катастроф. Это — туннель Танна в Японии, строительство которого из-за сложных геологических условий продолжалось 16 лет, хотя длина его всего 8 км. В этом туннеле погибло более 70 человек.
Строительные работы начались в 1918 г., а завершились в 1934 г. В туннеле проходит главная железнодорожная магистраль от Токио к городу Кобе через гору Такиджи на полуострове Идзу. Трудности при строительстве туннеля возникли в связи с тем, что проходку необходимо было вести в сильно нарушенной и сложной в структурном отношении толще водопроницаемых вулканических пеплов. Многие разности этих пеплов были столь рыхлыми и водонасыщенными, что вели себя скорее как жидкость, а не как твердое вещество; некоторые же глины легко впитывали воду и резко увеличивались в объеме. Под воздействием давления разбухших глинистых слоев в туннеле дважды происходили обрушения, в результате одного из них погибли все находившиеся под землей люди. В 1921 г. обрушился участок туннеля протяженностью 45 м. При обвале погибло 16 рабочих, а еще 17 человек в течение недели не могли выбраться из туннеля, заваленного породой, пока их не откопали.
В 1924 г. в западный штрек туннеля Танна ворвалось огромное количество холодной воды, что было вызвано чрезвычайно высокой проницаемостью вулканических пород. В том же году в восточный штрек хлынула горячая вода, вытекавшая под большим давлением из зоны тектонических брекчей. При строительстве туннелей горячую воду обычно встречали на большой глубине; примером тому служит Симплонский туннель в Швейцарии, где температура воды на глубине 2100 м от земной поверхности составляла 56 °C. Подобной глубины туннель Танна, конечно, не достиг, однако в связи с тем что он находился в районе более активной вулканической деятельности, геотермальные потоки были обнаружены на гораздо меньшей глубине. В зоне разломов, содержащей горячую воду, отрезок туннеля протяженностью 300 м сооружался 3,5 года.
Вулканическая деятельность в Японии еще раз свидетельствует о том, что эта страна расположена в неустойчивой части земной коры. В 1930 г., когда работы в туннеле Танна близились к концу, в этом районе произошло довольно слабое землетрясение, но вибрации оказались достаточными для смещения слоев вулканического пепла, вследствие чего кровля туннеля обрушилась и погребла пятерых рабочих. Двоих удалось откопать живыми, а трое пополнили длинный список жертв туннеля.
Вулканический пепел послужил также причиной трагического обрушения туннеля Уилсон на острове Оаху — одном из Гавайских островов. Этот туннель был построен в 1954 г., по нему проходила главная магистраль, ведущая к северу от города Гонолулу. Почти по всей своей протяженности туннель был пройден в вулканической лаве, которая, как известно, является почти идеальной средой для горных выработок. Работы начались с северного конца туннеля, а с приближением к южному краю вулканическая лава неожиданно сменилась рыхлым глиноподобным вулканическим пеплом и обломочными отложениями. Однако выемка породы продолжалась по всей площади забоя, и дополнительных мер по укреплению подземной выработки принято не было.
В туннеле начались обрушения кровли; проседание происходило и на земной поверхности, в 30 м над туннелем. В июле 1954 г. случилось два обвала, но человеческих жертв, к счастью, не было. В августе, при работах по расчистке, произошел третий обвал и погибло пять рабочих. С тех пор проходку в обрушившемся грунте и в оставшейся ненарушенной глине вели несколькими небольшими параллельными штреками; благодаря применению этого метода обрушений в дальнейшем не было.
Несомненно, следовало ожидать, что кровля в таком рыхлом материале, какой встретился в туннеле Уилсон, будет весьма неустойчивой. Но определить степень прочности кровли туннеля, проектируемого в более твердых и плотных породах, не так легко. Туннель Скогн — гидротехнический канал в центральной Норвегии — был пройден в древней метаморфической породе, и тем не менее он обрушился. Впоследствии поняли причину, но, к сожалению, было уже слишком поздно. Оказалось, что обрушение было вызвано разрыхлением пород, происшедшим вследствие того, что некоторые минералы были преобразованы в монтмо-риллонитовую глину.
В некоторых случаях подвижки грунта неизбежны независимо от типа породы; более того, бороться с ними практически невозможно.
Когда породы залегают на большой глубине, они сжаты под действием огромных давлений. Если эти давления частично уменьшаются в одном направлении (например, когда ведется выемка породы при строительстве туннеля или шахты), обычно происходит смещение пород в образовавшееся пустое пространство. На небольшой глубине ослабление давления может вызвать подвижки рыхлых глин, но твердые породы, такие как гранит, остаются без изменений. Однако на глубине сотен и тысяч метров давления достаточно высоки, чтобы деформировать любую породу. Симплонский туннель в Швейцарии проходит под горным хребтом на глубине около 2 км; на одном из участков его стены медленно, но неумолимо оползают.
На золотых рудниках южной Африки, достигших еще большей глубины, стенки не деформируются постепенно, а резко опрокидываются в горные выработки. Эти так называемые горные удары обычно случаются через некоторое время после проходки штольни. Благодаря упругости породы медленное оползание идет до тех пор, пока не будет превышен предел прочности, после чего и следует горный удар.
Другой тип неизбежного смещения пород наблюдается в шахтах, где при разработке рудных месторождений остаются огромные пустоты (очистные забои), которые могут быть поддержаны целиками и крепями лишь в течение ограниченного времени. Нет необходимости, да и весьма нежелательно с экономической точки зрения оставлять в целиках слишком большое количество руды, после того как эксплуатация шахты закончена. Но если постепенное обрушение заброшенных забоев охватит также толщу перекрывающих пород, последствия могут привести к катастрофе, как это случилось на медном руднике Муфулира.
Муфулира находится в очень богатом «медном поясе» Замбии. С 1933 г. на этом руднике велась разработка мощного наклонного пласта богатой медной руды. Рудное тело круто падает на северо-восток, и мощность его достигает 36 м. Как и обычно, вход в шахту и все технические установки располагались в ненарушенном 1лежачем боку рудного тела. По мере того как извлекалась руда, заброшенные наклонные забои обрушались, и в конце концов последствия постепенного обрушения пород висячего бока достигли поверхности земли. Дробильная и рудоперерабатывающая установки на шахте давали огромное количество отходов, главным образом в виде тонкого шлама; в течение многих лет пустую породу выгружали над висячим боком шахты. Это преследовало сразу две цели: удалить пустую породу от шахтных установок и засыпать болото, грозившее малярией. По мере того как висячий бок шахты продолжал проседать, на земной поверхности образовывались озера, которые также заполнялись отходами; к 1956 г. этим мелким обломочным материалом был засыпан бассейн глубиной 12 м.
В обычных нормальных условиях помещение отходов со стороны висячего бока пласта было бы абсолютно безопасным. Поскольку породы обрушивались внутрь шахты, в ее кровле возникали трещины, направленные к поверхности земли, размер которых должен был уменьшаться с удалением от горных выработок. В том случае, когда горные выработки находятся на глубине 300 м и более, как на руднике Муфулира, любые трещины, выходящие на поверхность, будут настолько узкими, что их быстро закупорят наносы. Однако на шахте Муфулира условия не были нормальными. Непосредственно над рудным телом залегала маломощная зона кварцитов, а над ней, до самой земной поверхности, массивные доломиты.
Первые предвестники катастрофы появились в конце 1968 г., когда в покрове отходов образовалась воронка диаметром 60 м. Можно было предположить, что под ней возникла огромная полость, поглотившая исчезнувший материал. Однако этому факту не придали никакого значения, и отходы продолжали сгружать в воронку. В апреле 1970 г. из трещины в кровле шахты на глубине 525 м полилась грязь; сделали ее анализ, но никаких признаков присутствия в ней материала отвалов обнаружено не было, хотя грязь и содержала частицы почвы, что указывало на ее непосредственную связь с поверхностью. Должно быть, в разрушающихся породах кровли возникло очень много трещин и пустот, если осадки с поверхности смогли проникнуть до такой глубины. Однако и в данном случае масштабам трещинообразования и опасным последствиям этого процесса не придали должного значения. В течение лета 1970 г. в шахте неоднократно обнаруживали грязевые экструзии, а наверху, где сгружались отходы, появились новые воронки. Эти воронки по-прежнему заполняли, и горные работы внизу, в шахте, продолжались.
25 сентября 1970 г. произошла катастрофа: поток, состоявший из воды, грязи и материала отходов, прорвал кровлю пород на глубине 525 м от земной поверхности и устремился в шахту. Жидкий грязеподобный материал проник через горные выработки в нижележащие горизонты и сильно их разрушил. Самые же нижние галереи шахты, находившиеся на глубине более 800 м, были до самой кровли заполнены водой вперемешку с осадками. Погибло 89 шахтеров — одни из них утонули, другие были погребены жидкой лавиной.
На поверхности земли, там где сгружались отходы производства, образовалась огромная воронка — 300 м в поперечнике и 15 м глубиной. Размеры воронки свидетельствовали о том, что под землей исчезло 700 000 м3 вещества, однако в шахту попало всего 280 000 м3. Даже если сделать скидку на сжатие, огромное количество осадков поглотили трещины и каверны в доломите.