CC BY
48
--------------------------------------- © Е.Ю. Куликова, 2004
УДК 69.035.4 Е.Ю. Куликова
ИСТОЧНИКИ, ВИДЫ И ХАРАКТЕР ВОЗДЕЙСТВИЯ КОММУНАЛЬНЫХ ТОННЕЛЕЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
1ТЛ оммунальные тоннели предназначены
XV для сокращения отрицательного воздействия техногенной деятельности на окружающую городскую среду. Однако очень часто в практике подземного строительства технологические процессы, связанные со строительством и эксплуатацией коммунальных тоннелей, становятся основными факторами возникновения экологического риска. Так, авария на Люберецких очистных сооружениях привела к заражению близлежащей местности и на много лет создала благоприятные условия для развития болезнетворных бактерий и вспышек эпидемий, казалось бы, отживших уже болезней: тифа, паратифа, холеры и т.п. Прорыв канализационных тоннелей в Борисовские пруды вывел из строя зону отдыха и создал экологически неблагоприятную обстановку в районе. Аварии в системах канализации Орла неоднократно приводили к заражению вод р. Оки, охватывая территории нескольких областей Центра России. Пляжи курортных черноморских городов постоянно подвергаются загрязнению фекальными стоками, катастрофически повышают зараженность прибрежных вод.
Выделим несколько наиболее типичных техногенных воздействий на окружающую среду при строительстве коммунальных тоннелей, влияющих на экологическую безопасность освоения подземного пространства в данном регионе. По характеру взаимодействия все основные виды техногенных нарушений природной среды, спровоцированные коммунальным подземным строительством, отражены в составленной нами табл. 1.
1. Геомеханические нарушения земной поверхности и массива пород (оседание и провалы земной поверхности, образование воронок, деформация массива, обрушение пород и т.п.).
2. Изменение режима подземных вод, что связано с понижением горизонта грунтовых
вод, изменением режима и направления потоков, усилением или замедлением динамики вод; образование депрессионных воронок, способствующих провалам и оседаниям земной поверхности. В конечном итоге, подобные явления коренным образом изменяют всю экосистему подземного пространства. Примером может служить Царицынский парковый комплекс. Изменение режима стока подземных вод к Царицынским прудам в 80-х годах вызвало оползень канализационного коллектора и выхода на многие годы из строя зоны отдыха прилегающих районов. Заражение окружающей среды фекальными массами потребовало чрезвычайных мер по погашению вспышек холеры и других эпидемических вспышек.
Особо опасным проявлением изменения режима подземных вод является прорыв водных масс в выработки и их затопление. Примером прорыва водных масс и затопления тоннеля является строительство в Париже канализационного тоннеля в глинах и меловых отложениях щитовым способом с установкой первичной обделки. Предполагалось, что тоннель отделен от водоносных аллювиальных отложений слоем глины мощностью около 4 м, однако оказалось, что на одном из участков они залегают ниже. Таким образом, из-за недостаточной изученности района строительства и ошибок в прогнозе расположения водоносных структур произошло затопление тоннеля потоком воды с грунтом и частичное разрушение первичной обделки. Примером изменения режима подземных вод при проходке коммунального тоннеля является и авария на ул. Большая Дмитровка (1998 г.), где из-за нарушения технологии при прокладке коммуникаций произошел обвал грунта общей площадью 500 м2 и практически полностью разрушился дом №18.
Характерные виды нарушений Причины, вызывающие нарушения окружающей среды
Г еомеханические
Изменение рельефа местности, геологической структуры массива, грунтов, подстилающих почву, самой почвы. Механические повреждения почвы. Уничтожение почвы и создание биологически стерильных территорий. Изменение структуры использования поверхности, просадки, оседания. Повреждения строительных объектов и инженерных сооружений Оборудование горно-строительной площадки, строительство котлованов (траншей). Деформации поверхности в результате строительства коллекторных тоннелей. Монтажные работы, воздействие тяжелого оборудования и пр.
Г идрологические
Изменение уровня подземных вод и их движения, гидрографической сети. Ухудшение качества вод неглубоко залегающих водоносных горизонтов, инженерно-геологических констант подпочвенных грунтов, водного режима в почве. Уменьшение запасов подземных вод. Увеличение суффозии и механического уплотнения грунтов (оседание поверхности). Изменение морфодинамического режима, образование пойм Дренирующее воздействие подземных и открытых выработок на окружающий породный массив, деформации поверхности в связи с дренажем подземных вод, сооружение отстойников, разнообразных насыпей, траншей. Смещение русел водотоков, сооружение водоемов, водных перепадов и других гидротехнических объектов. Загрязнение вод. Откачка подземных вод
Термические
Изменение состава и свойств атмосферного воздуха, биохимических процессов в водном бассейне, изменение микроклимата Загрязнение воздуха, сбросы подогретых вод и нагнетание их в породный массив
Химические
Изменение состава и свойств атмосферного воздуха, водопод-кисление, засорение, загрязнение почв (подкисление, алкализация, засоление, увеличение фитотоксических элементов) и др. типы загрязнений Эмиссии газов и химически активной пыли. Сбросы загрязненных вод. Воздействие токсичных компонентов от машин и оборудования, находящихся в материалах гидроизоляции и химического укрепления грунтов, растворах
Физико-механические
Изменение состава и свойств атмосферного воздуха и вод. Кольматация русел водотоков. Изменение свойств почв Эмиссия пыли и аэрозолей. Сбросы вод, загрязненных суспензией и гидроаэрозолями
3. За счет вышеописанных явлений происходит изменение системы переноса вещества, химического взаимодействия, растворение и разложение субъектов массива горных пород, что, в свою очередь, приводит к изменению состава и свойств грунта, провалам, просадкам, выделениям вредных веществ, усилению процессов коррозии и иных видов разрушения самих подземных сооружений. Это способствует их быстрому выходу из строя и требует значительных финансовых и материальных затрат на ремонтно-восстановительные работы. Примерами таких просадок и провалов являются провал одной из стен пятиэтажного дома на Хорошевском шоссе в образовавшуюся карстовую воронку (1969 г.); просадка 3-х метрового участка улицы Куусинена (1973 г.); образование воронки на проезжей части проспекта Маршала Жукова (1996 г.); осадка земной поверхности в Новохорошевском проезде (1977 г.), которая привела к полному разрушению домов №3, 4.
4. Изменение минералогической структуры грунта приводит к изменению электрических полей в подземном пространстве и порождает появление блуждающих токов. Так как подземные воды являются наиболее подвижным элементом системы «массив - сооружение», активно реагирующим на любое техногенное вмешательство, то строительство подземных объектов сопровождается интенсификацией фильтрационных электрических полей. Возникновение электрического поля в массиве, как правило, сопровождается изменением биологической составляющей, которая находит выражение в следующих основных моментах: усиливается биологическая коррозия сооружений; происходит заражение массива вмещающих подземный объект пород болезнетворными организмами, что, в первую очередь сказывается на качестве воды и здоровье населения. Определенная часть подобных негативных эффектов учитывается при проектировании, однако, отсутствует комплексная оценка строительства с позиций экологии в его взаимодействии с ранее
пройденными выработками, подчас уже забытыми. Основной процент аварий приходится на старые районы города, где подземное строительство затрагивает забытые, отслужившие свой срок коммуникации.
5. Прорывы коммуникаций и миграция загрязняющих веществ в окружающую среду. Примером миграции загрязняющих веществ в окружающую среду может являться ситуация, сложившаяся при аварии на коллекторе вблизи жилого дома на ул. Новаторов, квартал 38, стр.2 (2000 г.). Стоки из коллектора стали скапливаться под домом, и грунтовые воды поднялись на полтора метра. В результате из песчано-глинистой почвы, на которой покоился фундамент новостройки, образовался плывун и 22-этажное здание начало крениться. В районе лифтовых шахт отклонение от вертикали составило 14 см.
6. Загрязнение водоносных горизонтов пресных вод за счет утечек из канализационных тоннелей и теплофикационных сетей. Процессы эксфильтрации загрязненных вод из коммунальных тоннелей - неизбежное следствие применяемых конструктивных решений любых водонесущих коммуникаций вне зависимости
Рис. 1. Схема взаимодействия подземного сооружения и окружающей среды
от способа их строительства. Основной причиной эксфильтрации является несовершенство существующих обделок и гидроизоляции тоннелей. Наиболее серьезными в плане экологии являются последствия при расположении канализационных тоннелей в сухих водопроницаемых грунтах, которые могут быть гидравлически связаны с безнапорными водоносными горизонтами незагрязненных пресных вод. При эксплуатации коммунальных тоннелей определенную опасность по отношению к водной среде представляет сброс дренажно-аварийных стоков при прокладке напорных трубопроводов хозяйственно-фекальной и промышленной канализации. Незначительные загрязнения грунтового массива и подземных вод происходит в период строительства за счет утечек различных масел из гидросистем проходческих щитов, комбайнов и других машин. Степень влияния этого фактора нуждается в обязательном изучении.
7. Развитие суффозионных явлений, плывунов и псевдоплывунов. Суффозный вынос может вызвать разрушение обделки тоннеля. При этом над тоннелем в пределах призмы обрушения возникает грунтовый свод над пустотой, с его последующим разрушением под воздействием вышележащих грунтовых масс или временных нагрузок от транспортных средств. Полное разрушение обделки происходит за счет падающего грунтового столба и отсутствия бокового отпора. Отсутствие бокового отпора, в свою очередь, связано с размывом грунта за обделкой текущей канализационной жидкостью и фильтрацией грунтовых вод. Этот период разрушения обделки коммунального сооружения совпадает с образованием воронки на земной поверхности. Вынос обводненного песка в процессе строительства и эксплуатации
влечет за собой осадку тоннелей, величина которой может достигать десятков сантиметров. Нарушения земной поверхности в этом случае могут усугубляться в результате беспорядочной длительной откачки грунтовых вод из тоннеля. Так, подобная многомесячна откачка воды в Таллинне на одном из тоннелей привела к образованию вытянутой воронки на поверхности, при этом величина осадки тоннеля составила более 1 м при диаметре тоннеля в свету
1,8 м. Эта ситуация поставила под угрозу ввод в эксплуатацию канализационного комплекса всего города. В качестве выхода из сложившейся ситуации была предложена замена подземной технологии проходки тоннеля открытой - из котлована.
В Москве и Подмосковье в результате отбора вод на технические цели (3,5 млн м3/сут) образовалась депрессионная воронка диаметром более 100 км, в результате чего Москва и центральная часть области - Люберецкий, Мытищинский, Ленинский и другие районы - в один момент могут оказаться под землей при неблагоприятном стечении обстоятельств. В результате интенсивного отбора вод напор грунтовых вод на Окско-Протвинском горизонте снизился на 100 м, там образовалась депрессионная воронка размером от 20 до 300 м в разных районах, постепенно увеличивающаяся на полметра в год. В Сергиевом Посаде воронка достигла 100 м. Подобные явления еще более осложняют поддержание проложенных в означенных районах коммунальных тоннелей.
8. Оползневые явления. При прокладке коммунальных тоннелей в условиях гористой или равнинной местности, изрезанной глубокими оврагами, всегда существуют предпосылки к приведению их в состояние неустойчивого равновесия при подрезке склонов. Наличие значительных объемов неустойчивых породных масс в дождливое время года способствует развитию деформации склонов вместе с находящимися вблизи наземными объектами. Примером нарушения экологического баланса при подрезке коммунальными тоннелями склонов оврагов может служить следующая ситуация. При эксплуатации одного из канализационных тоннелей Волгограда, расположенного в откосе оврага в массиве, сложенном сухими суглинками, произошло обрушение откоса вместе с тоннелем. В результате произошло опасное загрязнение окружающей среды: во-первых,
утечка канализационных стоков, во вторых,
переход лессовых пород в текучее состояние и образование плывуна.
9. Деградация растительных покровов (очень малый процент в связи с малым отчуждением земель и срезанием плодородного почвенного слоя перед началом горностроительных работ).
10. Загрязнение атмосферы города ядовитыми веществами и взрывными газами. Плотность застройки мегаполисов и характер размещения предприятий вблизи жилых кварталов способствуют снижению безопасности подземных и других сооружений при их эксплуатации и чрезвычайных ситуациях (ЧС). В таком крупном городе, как Москва, находится 66 химически опасных и до сотни взрыво- и пожароопасных объектов, на большинстве производств используют сильнодействующие ядовитые вещества: хлор, аммиак и т.п. Системы рабочей, аварийной и противодымной вентиляции собирают вредные вещества на большой площади подземных объектов и локально выбрасывают их на поверхность. При пожарах, авариях и других чрезвычайных ситуациях в зоне выброса предельная концентрация вредных веществ может превышать ПДК в сотни раз, что повышает вероятность крупных ЧС. Статистика показывает, что ЧС в подземных сооружениях могут сопровождаться быстрым увеличением температуры среды, плотности дыма, концентрации токсичных газовоздушных смесей. Большое тепловыделение приводит к резким перепадам плотности воздуха, интенсивному распространению токсичных газовоздушных смесей в вертикальном и горизонтальном направлениях, как в подземных пространствах, так и на поверхности. Наибольшую опасность для людей при ЧС представляют дым и содержащиеся в нем токсичные газовоздушные смеси, в которых может содержаться до 70 токсичных соединений. Токсичные газовоздушные смеси могут образоваться не только при пожарах в коммунальных сооружениях, но и при утечке аммиака из холодильных установок, утечке хлора в хлораторных помещениях водоочистных сооружений и т.п.
11. Шумовое и вибрационное воздействие на атмосферу.
Как следует из проведенного анализа, четко разграничить проявление только природных или только техногенных факторов невозможно. Природные факторы могут усиливаться или проявляться в новом качестве под воздействием коммунального объекта. Преобразование
одного из компонентов окружающей среды приводит к дисбалансу всей экологической системы в целом. Эксплуатационные или технические параметры ПТС могут существенно изменяться под влиянием суммирующего эффекта со стороны окружающей среды. Основные виды взаимовоздействия коммунального объекта и окружающей среды отражены на составленной нами диаграмме (рис. 1).
Основным элементом системы «массив -технология - сооружение», являющимся своеобразным проводником взаимного воздействия подземного объекта и окружающей среды является массив, вмещающий коммунальный объект. В зависимости от размеров площади коммунальных сооружений различают следующие типы воздействия на породный массив:
• компактные: фиксируются от котлованов, траншей и др.;
• линейные: наблюдаются от каналов, трубопроводов, тоннелей и др.;
• площадные: возникают от горно-
строительных площадок, очистных сооружений, станций аэрации и т.п.
• По продолжительности выделяются следующие виды воздействий:
• мгновенные: взрывы, обрушения масс породы;
• ограниченные во времени: бурение скважин для изысканий и оценки горно- и гидрогеологической обстановки в месте предполагаемого расположения сооружения, строительство подготовительных выработок.
• длительные: эксплуатация комму-
нальных сооружений.
В зависимости от способа ведения работ и характера коммунального сооружения воздействие его на массив и окружающую среду проявляется по-разному. Техногенное вмешательство в породный массив нарушает характер деформационных процессов. Прежде всего, это касается строительства коммунальных сооружений, которое сопряжено с изменением естественного напряженно-деформированного состояния породного массива, при котором могут возникнуть необратимые нарушения грунтов. Характер проявления и область распространения этих нарушений определяется целым рядом факторов, в первую очередь способом ведения горно-строительных работ. При строительстве подземных выработок открытым способом нарушения грунтов возникают, главным образом, у стен подземного сооружения в
пределах призм обрушения, ограниченных плоскостями скольжения, наклоненными под углом а = 45°-щ/2 к вертикали. При строительстве коммунального сооружения подземным способом нарушения массива охватывают область над выработкой и, в зависимости от глубины последней, могут достигать поверхности земли. В этом случае возможны осадки фундаментов наземных зданий, подземных коммуникаций, повреждения наземных транспортных сетей, что требует принятия специальных мер по ограничению сдвижений и деформаций поверхности земли и защите зданий и сооружений инженерными методами.
Глубина заложения коммунального сооружения непосредственно влияет на развитие сдвижений и деформаций поверхности земли. При мелком заложении коммунального сооружения породный массив над ним обладает незначительной несущей способностью, поэтому деформационные процессы проявляются быстро и величина их возрастает с уменьшением глубины заложения. При глубоком заложении коммунальных сооружений величины сдвижений и деформаций возрастают, как правило, пропорционально глубине заложения и прочности пород, что объясняется увеличением зоны нарушенных пород и области массива, работающего совместно с обделкой коммунального подземного объекта.
Тип конструкции коммунального сооружения также влияет на интенсивность деформационных процессов. Так, при применении в слабых неустойчивых грунтах недостаточно жесткой обделки, ее деформации могут вызывать смещения и деформации поверхности земли. В плотных грунтах, обладающих упругими свойствами, применение гибких обжатых в грунт сборных или монолитно-прессованных обделок способствует предотвращению нарушений массива и уменьшению геомеханиче-ских преобразований земной поверхности. Наибольшее влияние на состояние зданий оказывают вертикальные деформации поверхности земли: наклоны и кривизна. Наклоны основания приводят к кренам зданий, а искривления вызывают в них изгиб. Горизонтальные деформации сжатия и растяжения пород передаются на конструкции зданий в виде сил трения по подошве и боковой поверхности фундаментов. Влияние горизонтальных деформаций, как правило, менее существенно, чем вертикальных, поскольку они действуют на коротких участках, не захватывая всего здания. Та-
Период Характерные аварии Место происшествия
Строительство Обрушение породы в забое; разрушение и чрезмерные деформации крепи; прорывы воды и плывунов; загазованность и задымленность воздуха; пожары, загорания, взрывы; поломка горностроительного оборудования (щиты, тоннелепроходческие машины, буровые агрегаты и т.п.); столкновение или сход с рельсов вагонеток и электровозов; повреждение временных инженерных коммуникаций (водопровод, электрокабели, трубопроводы сжатого воздуха) и оборудования (компрессоры, вентиляторы, насосы) Призабойная зона; отдельные участки готового подземного сооружения
Эксплуат ация Обрушение породы; деформирование обделки; загазованность воздуха; пожары, взрывы; оледенение наружных конструкций; разрушение внутренних конструкций Любой участок тоннеля
ким образом, деформационные процессы определяют не только стабильность экологической системы в целом, но и на экологическую надежность и долговечность конструкций коммунальных подземных сооружений.
Проявление природных и техногенных факторов в строящихся и эксплуатируемых коммунальных тоннелях во многом аналогичны, но обладают и особенностями, характерными для вида производства работ. На этапе строительства взаимное влияние природно-
техногенных факторов носит характер внезапности и неожиданности, на этапе эксплуатации - это следствие длительных процессов разрушения и деформирования конструкций (за исключением таких видов проявлений как пожары и взрывы).
Кульминацией про-явления совокупного влияния природных и техногенных факторов на элементы системы «массив - технология -сооружение» является аварийная ситуация. Например, статистика 200 г. показывает, что наиболее отрицательное воздействие на состояние экологической безопасности коммунального подземного строительства РФ имеют аварии техногенного характера: из 62,1 % от общего количества 37,9 % приходятся на коммунальные системы жизнеобеспечения - те-плоэнергоснабжение, водоснабжение и канализацию. Значительная часть техногенных аварий произошла по причинам ветхости сетей и оборудования (45 %) и из-за нарушения правил технической эксплуатации (36 %). Для канализационных сооружений (согласно данным ГУП «Мосводоканал») статистика аварий на 2002 г.
Рис. 2. Статистика аварии на канализационных сетях
показана на рис. 2. Характерные аварии для коммунального подземного строительства и причины их возникновения показаны в составленной нами табл. 2.
Таким образом, все коммунальные сооружения, независимо от их типа, при строительстве и эксплуатации воздействуют на массив, который служит для них основанием и вмещающей средой. Воздействие это выражается в передаче сжимающих, растягивающих, сдвигающих напряжений и деформаций; в изменении теплового и фильтрационного режимов и т.п. В то же время на тоннель воздействуют геологические процессы, происходящие в естественных условиях в массиве (сейсмопроявления, карстообразование, гравитационные процессы, суффозия, выветривание и т.п.). Формируется область взаимодействия подземного сооружения с массивом, т.е. та часть породного массива, в пределах которой в периоды строительства и эксплуатации коммунального тоннеля происходят существенные изменения состава, состояния, свойств горных пород, и развиваются геологические процессы. Характер, интенсивность и скорость этих изменений зависят от геологического строения массива, развивающихся геологических процессов, типа
коммунального сооружения, технологии ведения горно-строительных работ, сроков строительства, режима эксплуатации объекта и климатических условий. За границы области принимаются пределы, за которыми означенные изменения не имеют практического значения.
Виды и характер воздействия подземных сооружений на вмещающий массив, и городскую среду могут быть различными в зависимости от типа и назначения коммунального тоннеля, горнотехнических и гидрогеологических условий его заложения, технологии ведения строительных работ, длительности эксплуатации тоннеля и т.п. Основным источником такого воздействия является особый характер проявления природных и техногенных факторов, обусловленный взаимовлиянием элементов в системе «массив - технология -сооружение». Так как подобное взаимовлияние характеризуется, прежде всего изменением напряженно-деформированного состояния массива, вмещающего подземный объект, и активизацией фильтрационных процессов, то они и служат первоисточниками экологического дисбаланса и негативного воздействия коммунального подземного строительства на окружающую среду.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------------
Куликова Е.Ю. - доктор технических наук, профессор кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт», Московский государственный горный университет.
