Результаты исследований причин аварий тоннелей метро на участке Размыв Ленинградского (Санкт-Петербургского) метополитена между станциями Лесная и Площадь Мужества

Принимаются предварительные заказы на новую книгу с исследованием причин аварии и затопления тоннелей метро на перегоне между станциями Лесная и Площадь Мужества в Санкт-Петербурге в декабре 1995 г.

Доктор технических наук Архипов Алексей Германович

ООО “Геодиагностика”, Санкт-Петербург

Страница в разработке

Рис. Извлечение замораживающих колонок из скважин на участке "Размыв" в 1975 г. (Фото [СМУ9])

Введение

Аварии при строительстве (1974 г.) и эксплуатации (1995 г) перегонных тоннелей метро между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества» в Санкт-Петербурге (до 1991 г. в Ленинграде) стали одними из крупнейших в мировой практике метрострения. После затопления тоннелей в 1995г. на 8 лет прекратилось сквозное движение по Кировско-Выборгской линии метро в северные районы города.

Однако до сих пор полной ясности с причинами авариий и была ли возможность их избежать нет. Открытым остался вопрос была ли связь между аварией при проходке в 1974 г. и вынужденным затоплением тоннелей в 1995 г. или тоннели исчерпали срок эксплуатации вследствие конструктивных особенностей и геологических условий? Нерешенным вопросом является и возможность гражданского строительства на участке погребенных тоннелей из-за риска осадок зданий.

Объективное понимание причин затопления тоннелей необходимо для оценки рисков эксплуатации новых тоннелей, проложенных через зону "Размыва" в 2002 - 2004 гг., поэтому аварии 1974 и 1995 гг. требуют более глубокого изучения.

Книга с системным анализом причин аварии на участке Размыв будет третьей в серии технических детективов.

В 2018 г . в издательстве "Политехника" вышла моя книга "История грунтоцементной плиты второй сцены Мариинского театра" с анализом проблем и хода строительства подземной части здания Второй сцены Мариинского театра в Санкт-Петербурге, в том числе, с ответом на вопрос, почему не было построено здание театра по проекту Доминика Перро.

В 2019 г . вышла книга "Последний путь подземного рудника «Мир»: Исследование причин катастрофы 4 августа 2017 г." в которой на основе фактического материала и проектных решений приведен научно-технический анализ причин прорыва водо-грязе-каменной массы из карьера и последующего затопления рудника "Мир" грунтовыми водами.

В новой книге на основе информации из архивных отчетов по межскважинномуакустическому просвечиванию замороженных грунтов при ликвидации прорыва плывуна внтурь тоннелей в 1974-1975, анализа хронологии событий будут рассмотрены причины двух аварий с тоннелями метро между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества». Версия причин аварийного состояния тоннелей в 1995 г. оригинальна и отличается от общепринятых и, если она верна, то техническое обслуживание и ремонт действующих обходных тоннеей, проложенных через зону "Размыва", должен отличаться от традиционных.

1. Горно-геологические условия СТРОИТЕЛЬСТВА МЕТРО в районе площади Мужества

Для снижение рисков аварии большинство перегонных тоннелей Санкт-Петербургского метро заложены в коренных горных породах - твердых глинах на глубинах 50 – 80 м, что значительно увеличивает стоимость строительства метро по сравнению с Москвой. Но и при глубоком заложении, трассы тоннелей могут пересекать погребенные долины древних размывов (разломов), выполненных водонасыщенными и текучими грунтами.

В районе площади Мужества метро пересекает погребенную долину древнего русла реки Нева, врезанную в толщу коренных глин верхнепротерозойского возраста. Длина участка погребенной долины по трассе тоннелей около 450 м.

Погребенную долину заполняют четвертичные осадочные отложения (пески, супеси, суглинки, глины). Максимальная мощность четвертичных отложений достигает 120 - 130 м [ ]. Водоносные горизонты, сложенны песками, супесями и галечниками, залегают над лужской мореной, между моренами и под московской мореной над коренными глинами.

В разрезе выделено три морены (верхняя - Лужская (Осташковская), средняя - Московская, нижняя, в тальвеге долины - Днепровская (Вологодская). Морены разделенны межморенными отложениями. Валуны достигали диаметра 2 м. В 2012 г. при бурении автор наблюдал керн из валуна диаметром, приблизительно, 0,4 м.

Автор неоднократно выполнял исследования грунтов и состояния подземных ограждений шахт и тоннелей в районе площади Мужества методом межскважинного акустического просвечивания (МАП):

а) В 2001-2005 гг. выполнен контроль сплошности подземных ограждений ствола шахты метро №214бис (ул.Карбышева) и стволов №№1, 4, 5, 5.1, 5.2, 7. дублера канализационного коллектора в районе площади Мужества, строительство которого сопровождалось небывалым числом авариий.

б) В 2003 г. на проходческом щите “Виктория” выполнены исследования затюбингового пространства новых обходных тоннелей №1 и №2, пройденных между станциями “Лесная” и “Площадь Мужества".

в) В 2012 г. ООО «Геодиагностика», которым руководит автор, по заказу ГУП "Ленгипроинжпроект" на ПК183 определяло положение погребенных тоннелей, исследовало массив горных пород и контролировало качество закрепления грунтов на опытном участке.

г) В 2013 г. ООО «Геодиагностика» по заказу ООО "СТИС" исследовало внутреннее пространство верхнего погребенного тоннеля через две пробуренные скважины.

Рис. Геологический разрез участка "Размыв"

проходка перегонных тоннелей между станциями “Лесная” и “Площадь Мужества” И АВАРИЯ 8 апреля 1974 г.

Краткая история

В 1971 г. началось строительство продолжения Кировско-Выборгской линии метро Ленинграда на север в районы массового жилищного строительства. Новый IV участок начинался от станции "Площадь Ленина" (Финляндский вокзал) и включал 5 станций глубокого заложения («Выборгская», «Лесная», «Площадь Мужества», «Политехническая» и «Академическая»), соединенные перегонными тоннелями. Станция «Площадь Мужества» была первой в мире односводчатой станции глубокого заложения.

Дополнительными опасными факторами при увеличении глубины заложения тоннелей в водонасыщенных грунтах становятся движение грунтовых вод и гидростатическое давление. Участок между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества» был наиболее сложным для проходки, так как трассы тоннелей выходили из массива твердых водоупорных глин и пересекали погребенную долину древнего русла реки Нева, заполнненую четвертичными песчано-глинистыми отложениями (глины, суглинки, супеси) с прослоями водонасыщенных и текучих грунтов (пески).

Особенностью проекта строительства перегонных тоннелей между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества» стало расположение тоннелей в одной плоскости (один над другим) и использование способа предварительного искусственного замораживания грунтов охлажденным рассолом (температура -10 - -20 ^оС).

8 апреля 1974 г. при проходке тоннелей произошла аварии с прорывом водо-грунтовой массы (плывуна) внутрь выработки. Во избежание затопления метро были закрыты аварийные затворы у станции “Лесная”. Для прекращения осадок поверхности земли тоннели были принудительно затоплены водой из водопровода. Авария была ликвидирована путем восстановления сети рассольного замораживания и дополнительным низкотемпературным замораживанием грунтов жидким азотом (температура -196 ^оС) на участке "Азотная перемычка".

С работ по ликвидации аварии между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества» началось внедрение метода межскважинного акустического просвечивания (МАП) в практику строительства шахтных стволов и наклонных ходов г. Ленинграда. Метод МАП позволял получить информацию о состоянии подземного пространства, которую невозможно получить с поверхности земли другими геофизическим методами. Применение метода МАП в дальнейшем позволило избежать ряд авариий на крупных объектах строительства канализационных коллекторах и метро в Ленинграде (Санкт-Петербурге). Отсутствие метода МАП в системе геомониторинга, по мнению автора, стало одной из причин аварии 1995 г. при эксплуатации тоннелей между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества» и аварии на подземном руднике "Мир" 4 августа 2017г.

1.1. Организация и участники строительства:

Главное управление по строительству тоннелей и метрополитенов (Главтоннельметрострой) Министерства транспортного строительства СССР

Управление Ленметростроя (Ленметрострой) - (начальник Ленметростроя В.М.Капустин)

Проектные организации: Институт «Ленметропроект» (Ленинградский филиал института «Метрогипротранс», г.Москва) (начальник В.И.Медейко, главный инженер Г.Федоров).

Строительные организации Ленметростроя: СМУ 9 (Начальник М. Синичкин, главный инженер В.И.Хрящев, главный маркшейдер М. Васильев) - бурение скважин, искусственное замораживание грунтов и др., СМУ 11, СМУ 13, СМУ 15, СМУ 17, Тоннельный отряд №3 - строительные и горнопроходческие работы, СМУ 19 - строительные работы

КЭПРО (начальник Н.М.Филиппов) - монтаж и ремонт механизированных щитов, тюбингоукладчиков и др.).

Предприятия обеспечения строительства и вспомогательные службы: Метроснаб, Кузнечно-механический завод, завод ЖБКиД Ленметростроя (изготовление тюбингов и товарного бетона, главный инженер В.Гуляев), АТК (Авто-транспортная контора Ленметростроя, начальник К.В.Пыжов, вывоз грунта и доставка грузов автотранспортом) и др.

Научные организации: Всесоюзный институт техники разведки (ВИТР) Министерства геологии СССР (директор Г.К.Волосюк, зам.директора А.Ф.Фокин) - исследование состояния замороженных грунтов методом межскважинного акустического просвечивания (МАП). Институт прикладной химии (ГИПХ) - проект термометрической системы для замораживания жидким азотом (теромопары + самопишущие логометры?), расчеты и контроль режимов замораживания на ЭВМ.

Научно-исследовательский институ химического машиностроения (НИИХИММАШ) - проект замораживающей сети жидким азотом.

Ленинградский институт холодильной промышленности - расчеты замораживания грунтов жидким азотом..

Ленинградская научно-исследовательская лаборатория ЦНИИС (ЛенНИЛ ЦНИИС) - наблюдения за работой конструкций станций обделки, обжатой в горную породу, - измерение напряжений и деформаций с помощью динамометрических блоков и др.

Ленинградский институт железнодорожного транспорта (ЛИИЖТ, кафедры тоннелей, строительных материалов) - испытание конструкций, подбор высокопрочного водонепроницаемого бетона для внутренней обоймы, повышающей прочность тоннеля, в зоне искусственно замороженных грунтов .......

Заинтересованные организации: Ленинградский метрополитен (главный инженер В.Елсуков)

..............................

1.3. Проекты строительства продолжения Кировско-Выборгской линии и перегонных тоннелей

Проект строительства перегонных тоннелей между станциями “Лесная” и “Площадь Мужества” разработал Институт «Ленметропроект». Особенностью проекта стало расположение тоннелей в одной плоскости (один над другим) и использование способа предварительного искусственного замораживания грунтов охлажденным рассолом (температура -12 - -20 ^оС). Расположение тоннелей в одной плоскости позволяло существенно снизить расходы на проходку за счет уменьшения объемов бурения и числа замораживающих скважин, числа холодильных установок и сроков замораживания.

Проект строительства продолжения Кировско-Выборгской линии

Конструкции станций метро:

а) односводчатые, глубокого заложения с островной платформой: "Площадь Мужества", "Политехническая".

б) колонного типа, глубокого заложения с обделкой из железобетонных тюбингов и системой металлоконструкций: "Выборгская", "Лесная", "Академическая"

Станции соеденены перегонными тоннелями. Выход со станции на поверхность - по эскалаторному тоннелю (наклонному ходу).

Глубина заложения станциий: Площадь Ленина - 67 м, "Выборгская" - 67 м, "Лесная" - 64 м, "Площадь Мужества" - 67 м, "Политехническая" - 65 м, "Академическая" - 64 м. Станции метро заложены ближе к земной поверхности, чем перегонные тоннели, для облегчения конструктивных решений и затрат на подъем людей на поверхность. Превышение отметки станции над тоннелем несколько метров (?). Глубина проходки тоннелей (?).

Вентиляция тоннелей - естественная и принудительная через вентиляционные стволы. Вентиляторы, установлены в вентиляционных камерах.

Рис. Трассы IV участка Кировско-Выборгской линиии метро Ленинграда перегона Лесная-Площадь Мужестава

Рис. Геологический разрез между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества» на ПК183 (по данным бурения 2012 г.)

Геологические элементы (слои) сверху-вниз:

а) водно - ледниковые (речные) и озерно-ледниковые отложения (пески, супеси, суглинки, глины);

б) ледниковые отложения Осташковской морены (супеси, суглинки и глины с гравием, галькой и валунами);

в) озерно-ледниковые и водно (речные) ледниковые отложения (мелкозернистые пески, глины) -межморенные отложения;

г) ледниковые отложения Московской морены (супеси, суглинки и глины с гравием, галькой валунами),

д) озерно-ледниковые и водно-ледниковые (речные) отложения (мелкозернистые пески, глины),

е) глины протерозойского возраста твердые и аргиллитоподбные.

Проницаемые грунты (пески, гравийно-галечниковые отложения) - водонасыщены. Пластичность грунтов: от текучей до твердой консистенции

1.4. Технологии проходки перегонных тоннелей

Технологии проходки тоннелей в зоне залегания глины и погребенной долины реки Нева были различны. В коренных глинах применялась щитовая проходка, в зоне погребенного русла реки Нева - предварительное закрепление грунтов способом искусственного замораживания, ручная разработка породы (забоя) отбойными молотками

а) Технология проходки тоннелей по коренным глинам. Диаметр тоннеля в проходке 5,6 м. Применялись тоннельные проходческие комбайны (щиты):

Механизированный щит Ленинградского типа и тоннельный комбайн КТ-1-5,6 (Ясиноватский машиностроительный завод).

Щит, отталкивается гидравлическими домкратами от установленной обделки подает вращающийся рабочий орган на забой. Фрезы (щарошки) рабочего органа разрушают забой. Разрушенная на забое горная порода попадает на конвеер щита и, далее, нагружается в вагонетки. Вагонетки откатываются по рельсам электровозом. После проходки 1 м между обоймой щита и установенной крепью собирается новое кольцо из тюбингов. Использованные типы обделки тоннелей при щитовой проходке: бетонные тюбинги обычного типа, обделки, обжатые в горную породу, с узлами разжатия на горизонтальном диаметре или лотке.

б) Технология проходки тоннелей в зоне погребенной долины древнего русла реки Нева .

Диаметр тоннеля в проходке 6 м (?). Предварительное закрепление грунтов способом искусственного замораживания, ручная разработка горной породы породы (забоя) отбойными молотками и монтажом обделки тюбингоукладчиком (эректором с электроприводом). Для проверки наличия замороженного грунта перед разработкой забоя применялось опережающее бурение на глубину 1-2 заходок (?). Разработка забоя начиналась сверху на глубину 0,75 - 0,85 м (вдоль оси тоннеля) с установкой деревянного крепления кровли (доски с глиньями). Затем, постепенно, забой разрабатывался вниз. По мере разработки устанавливалась деревянная затяжка с упором на горизонтально установленные трубы. Обделка тоннелей на участке тоннеля, пересекающего зону "Размыва": чугунные тюбинки с болтовым креплением, внутренняя стальная обойма с заполнением цементным раствором.

1.5. Проходка перегонных тоннелей

2.1. Хронология событий

...............................................

1974 г. Проходка перегонных тоннелей между станциями "Лесная" и "Площадь Мужества". 8 апреля 1974 г. произошла авария с прорывом текучих грунтов в тоннели.

Устройство ледогрунтовой перемычки. Подготовка проходки зоны "Размыва" со стороны площади Мужества (СМУ 17). Строительство новых замораживающих станций (СМУ 15 и СМУ 9).........

1975 г. 31 мая 1975 г. открыто движение на участке метро между станциями «Площадь Ленина» и «Лесная»; 31 декабря 1975г. - между станциями "Лесная" - "Площадь Мужества" - "Политехническая" -"Академическая".

1.6. Технология искусственного замораживания грунтов охлажденным рассолом 1974 г.

Длина размыва на высотной отметке прокладки тоннелей, приблизительно, 400 м.

Принятое проектное решение:

Правый перегонный тоннель располагался над левым.

Скважины под замораживающие колонки - вертикальные.

Колонка из стальных труб диаметром 114х7 мм опускалась в скважину сразу после окончания бурения.

Число пробуренных замораживающих скважин - 1900.

Машинист аммиачных холодильных установок Е. С. Мишаченко в холодильной станции №7 на участке "Размыв"в 1974 г (фото Евгения Мишаченко)

1.7. Авария при проходке тоннелей 1974 г.

8 апреля 1974 г. при проходке нижнего тоннеля произошел аварийный прорыв плывуна в выработку. По воспоминаниям участников событий при выполнении опережающего бурения из забоя в массив замороженного грунта из скважины началось поступление водо-грунтовых масс.

1.8. Межскважинное акустическое просвечивание грунтов на участке "Размыв" при ликвидации аварии 1974 - 1975 гг.

(Работы Всесоюзного научно-исследовательского инстиута методики и техники разведки (ВИТР)

В мае 1974 г. Управление Ленметростроя обратилось во Всесоюзный НИИ методики и техники разведки (ВИТР, директор Г.К.Волосюк, зам.директора А.Ф.Фокин) с просьбой оказать помощь при ликвидации последствий аварии на участке Кировско-Выборгской линии Ленинградского метрополитена (участок "Размыв"). Поставленная задача определения размеров зоны плывуна, вклинившегося в ледогрунтовый массив на участке в районе площади Мужества, была успешно решена учеными и инженерами ВИТР (Андреев О.С., Стрыгин Д.Н., Рудакова Н.П., Панкратов Е.М., Беляева Л.С. и др.) методом межскважинного акустического просвечивания (МАП) аппаратурой МАП-1.

Состав группы выполнявшей МАП: Андреев О.С. (старший научный сотрудник, руководитель группы), Стрыгин Д.М. (старший инженер, инженер-оператор), Рудакова Н.П. (старший инженер, инженер интерпретатор), Терентьев Е.М. (механик, техник оператор), Белякова Л.С. (механик, техник интерпретатор), Авласенков Г.А. (ведущий конструктор, инженер оператор), Тарасов А.В. (механик).

Автор считает своим долгом упомянуть о разработчиках аппаратуры МАП-1, поскольку они стояли у истоков нового направления контроля сплошности ледогрунтовых ограждений методом межскважинного акустического просвечивания. Разработчики аппаратуры МАП-1 были грамотные специалисты, которые делали очень сложные системы и решали нестандартные методические задачи. Автор работал с ними начиная с 1986 г. С ними было интересно работать и они не жалели отдавать знания. Кроме этого они были просто порядочными людьми и автор всегда с теплотой вспоминает о них.

а б в

Рис. . Участники ликвидации аварии на участке "Размыв" в 1974 - 1975 гг. и аппаратура МАП-1

а) Беляева Л.С., Андреев О.С., Рудакова Н.П. (1970-е); б - Стрыгин Д.Н. в подземной горной выработке с аппаратурой МАП (1970-е, Дальний Восток); в - аппаратура межскважинного акустического просвечивании МАП-1 (1972 г.),

Андреев Олег Серафимович высококлассный инженер-электромеханик. Упор делал на практику и надежную эксплуатацию аппаратуры в полевых условиях. Виртуозно осуществлял сборку скважинных приборов. Автор с благодарностью вспоминает, как Олег Серафимович учил его пайке и разделке высоковольтных разъемов, сборке пьезокерамических датчиков и др.. К сожалению, семейная трагедия - ранняя смерть сына, изменила последние годы жизни Олега Серафимовича. Олег Серафимович иногда рассказывал автору про работу на участке "Размыв". Запомнился рассказ про разрушение части здания на Политехнической улице из-за осадок грунта. После эвакуации работников в здание побежали мародеры, которые, почему-то, потащили печатные машинки. С юмором Олег Серафимович говорил, что распугал мародеров, взяв громкоговоритель и предупредив предпреимчивых граждан о близости сотрудников милиции.

Стрыгин Дмитрий Николаевич - опытный специалист-электронщик, разработчик электронных схем и исследователь. В 1987 г. Дмитрий Николаевич, уже болея, заменил в домашних условиях сгоревший входной каскад усилителя анализатора спектра, который автор привез в рюкзаке с полевых работ на г.Северный Лявочорр (Хибины). Автор сжег анализатор спектра в ночную смену, когда без разрешения начальника партии Б.Б.Шатрова упражнялся с подачей сигнала от вибродатчика, установленного на сальнике вертлюге буровой установки. Неработающий прибор поставил под угрозу выполнение полевых работ по исследованию акустических явлений в призабойной зоне бурящихся скважин. С прибором в рюкзаке автор отбыл на поезде в Ленинград. Это была трагедия молодого специалиста. Думаю Дмитрий Николаевич почувствовал переживания молодого человека при встрече и радость при получении отремонтированного прибора.

Рудакова Нина Петровна дочь Героя Советского Союза, командира авиаполка истребителей Балтийского флота П.Кондратьева занималась обработкой данных измерений и была яркой женщиной с живым умом.

Панкратов Евгений Михайлович - ведущий конструктор, уравновешенный человек, отличался тщательной проработкой конструкции скважинных приборов и наземных блоков.

Беляева Любовь Степановна - грамотный инженер и очень добрый человек, выполняла чертежные работы, монтажные работы и изготовление печатных плат.

Результаты исследований

С мая 1974 г. по декабрь 1975 г. контроль состояния ледогрунтового массива методом МАП был проведен на всей зоне «Размыва» в интервале глубин 50—85 м, а после замораживания жидким азотом и на участке «Азотная перемычка» на ПК182+57,0 - ПК182+79,7. В процессе исследований были установлены скорости распространения упругой волны в естественных и замороженных грунтах, что стало основой для принятия решения о начале проходческих работ на участке «Размыв» после замораживания и последующего многолетнего использования методики контроля сплошности ледогрунтовых ограждений в Лениграде (Санкт-Петербурге).

а б

Рис. Схема прозвучивания ледогрунтового массива участка Размыв в 1974г. (а) и распределение плывуна по однгому из сечений в контуре ледогрунтового массива (б)

На методические рекомендации по контролю сплошности ледогрунтового массива методом межскважинного акустического просвечивания (МАП) был получен положительный отзыв начальника отдела организации и механизации работ Ленметропроекта Н.И.Кулагина и начальника технического отдела Лейбман Я.Д. (1977)

1.9. Ликвидация аварии в 1975 г.

[СМУ9] "Нависла опасность и над замораживающей системой: при нарушении ее целостности хладоноситель – раствор хлористого кальция – мог уйти в грунт, и тогда дальнейшее замораживание грунта на этом участке стало бы невозможным. Угрозу представлял и аммиак, сотни кубометров которого циркулировали в холодильных
агрегатах: если он вырвется наружу – возможен взрыв. В такой непростой ситуации проявили мужество дежурившие на замораживающих станциях ветераны Строительства №9, машинисты И.Я. Лаврентьев и Н.И. Амосов. Они обеспечили срочную откачку «рассола» из-под земли и вместе с коллегами сделали все возможное, чтобы не прогремел взрыв. Бригады бурильщиков СМУ9 О.Е. Веселова и А.И. Романцева пробурили около сотни новых скважин и почти столько же восстановили. При использовавшемся способе замораживания грунта на это ушло бы не менее трех месяцев – срок невозможно большой. Тогда впервые в практике ленинградского метростроения было принято решения использовать для этих целей жидкий азот. Результат эксперимента на аварийном участке подтвердил целесообразность
применения жидкого азота".

Ликвидация аварии была произведена способом замораживания жидким азотом. На аварийном участке с поверхности были пробурены скважины для слива жидкого азота. Температура жидкого азота равнялась -196 ^оС, что позволяло увеличить скорость нарастания и диаметр ледогрунтового цилиндра.

Причины аварии 8 апреля 1974 г. :...........

2. Эксплуатация тоннелей 1975 - 1995 гг. И АВАРИЯ 1995 г.

2.1. Эксплуатация тоннелей

Проблемы при эксплуатации тоннелей были связаны с поступлением грунтовых вод через стыки между тюбингами (трещины в обделке ). Опасность заключалась в наличии в грунтовых водах твердых частиц (песка), что приводило к разуплотнению грунтов за обделкой тоннелей, а также затрудняло откачку и уборку тоннеля для движения поездов.

Рис. Обделка тоннелей на аварийном участке между санциями Лесаня и Площадь Мужества

1 - кольцо диаметром 6 м из чугунных тюбингов с болтовым креплением; 2 - железобетонный массив; 3 - сварной стальной лист толщиной 8 мм, закрепленный анкерами к железобетону; 4 - бетонное основание рельсового пути.

2.2 Состояние тоннелей перед аварией

Вид тоннелей в 1994 (95) г. (фото с сайта http://ndt.spb.ru)

2.2 Авария 1995 г.

В декабре 1995 г. участки тоннелей между станциями “Лесная” и “Площадь Мужества” были отделены от остального метро бетонными перемычками и принудительно затоплены водой во избежание проникновения грунтовых вод в метро и осадок земной поверхности.

В ночь с 15 на 16 декабря 1995 г.верхний тоннель начали принудительно затоплять водой из водопроводной сети.

Некоторое время после аварии были закрыты станции Площадь Ленина и Лесная. Для перевозки людей на поверхности сначала был запущен автобусный маршрут №100 между станциями Площадь Ленина и Площадь Мужества и железнодорожной станцией Ручьи. После открытия участка метро Площадь Ленина - Лесная на поверхности между станциями Лесная и Площадь Мужества был запущен автобусный маршрут №80. Несмотря на короткий интервал, по воспоминаяниям автора, в автобусах №80 в часы пик была тесно.

Перегон между станциями “Лесная” и “Площадь Мужества” эксплуатировался Ленинградским (Санкт-Петербургским) метрополитеном почти 20 лет, но в 1995 г. произошла вторая авария с нарушением сплошности обделки тоннелей и поступлением водо-грунтовых масс внутрь тоннелей. После аварии участки тоннелй между станциями “Лесная” и “Площадь Мужества” были отделены от остального метро бетонными перемычкками у станции “Лесная” и принудительно затоплены водой.

В 2002 - 2004 гг. сообщение по Кировско-Выборгской линии метрополитена восстановлено путем проходки через зону "Размыв" новых обходных тоннелей.

В настоящее время погребенные тоннели брошены и живут своей жизнью в подземном пространстве.

Причины аварии и затопления тоннелей в 1995 г.:

Причины затопления тоннелей: отсутствие технической возможности прекратить поступление водо-грунтовых масс внутрь тоннелей, риск одномоментного локального разрушения обделки тоннелей, затопления северного участка Кировско-Выборгской линии метро и гибели людей.

Причины аварии:

3. ПРОХОДКА НОВЫХ ОБХОДНЫХ ТОННЕЛЕЙ ЩИТОМ "ВИКТОРИЯ"

Проходка обходных тоннелей между станциями "Лесная" и "Площадь Мужества" должна была решить инфраструктурную и политическую задачу - восстановить сквозное движение по разорванной в 1995г. Кировско-Выборгской линии метро. Проходка была первым опытом строительства тоннелей зарубежным тоннелепроходческим механизированным комплексом (бурильной машиной, щитом) в Санкт-Петербурге.

Финансирование:

Заказчик строительства: Санкт-Петербург

Губернаторы Санкт-Петербург В.А.Яковлев (02.06.1996 - 06.2003), В.И.Матвеенко (05.10.2003 - 22.08.2011), вице губернатор Ю.Антонов, вице-губернатор, отвечающий за вопросы капитального строительства А.И.Вахмистров (2000 - 2010 гг.),

Генеральный подрядчик: ОАО «Метрострой» (генеральный директор В.Н.Александров, главный инженер Ю.А.Филонов) ,

Субподрядчик на проходку тоннелей: совместное итало-шведское предприятие (СП) Impregilo/NCC (Impregilo (Italy) - NCC (Sweden) JV (joint venture))

В 1997 году СП Impregilo/NCC выйграло тендер на проведение работ по восстановлению сквозного движения между станциями Лесная и Площадь Мужества.

Новые тоннели должны были быть пройдены с помощью проходческого щита. В том же году ОАО «Метрострой» заключил договор с концерном Impregilo/NCC на проходку двух тоннелей. Детали щита стали поступать в Санкт- Петербург в конце 1999 г. Фактически, из-за задержки с финансированием и организационных проблем, к проходке тоннелей приступили в начале февраля 2002 г. Проходка двух тонелей происходила в 2002 - 2003 гг.

Заказ Санкт-Петербурга на производство сегментов (железобетонных блоков) для обделки тоннелей в 1999 г. (?) получило ЗАО "Метробетон" (Санкт-Петербург, генеральный директор Кондратенко В.В.). Закуплена и смонтирована технологическая линия. Формы и технологию для изготовления сегментов обделки тоннелей поставило СП Impregilo/NCC.

Характеристики тоннелей

Число тоннелей - 2. Тип тоннеля - однопутный, диаметр 7,4 м, длина 790 м, сечение - 69,5 м², тип обделки - сегментная, тип кольца - универсальный, толщина блоков обделки 0,4 м, число сегментов в кольце обделки 5+1, длина кольца 1,4 м.

Характеристики горнопроходческого оборудования

Тоннелепроходческий механизированный комплекс (ТПМК). Модель щита PDS 740-OS/RM. Производитель Voest-Alpine Bergtechnik GesmbH. Год изготовления 1993 г. Тип щита Polyshield (щит). Щит получил название "Виктория". Диаметр режущей головки 7,385 м, мощность привода 320 кВт, осевой усилие подачи - 60000 кН, крутящий момент 5500 кНм

Универсальное кольцо состояло из 5 сегментов и замка (сегмента-ключа), каждый из которых имел длину 1,4 м и толщину 0,35 м.

Осложнения при проходке

а) износ породоразрушающих элементов режущего органа (остановка щита для замены)

б) кратковременная потеря направления при проходке первого тоннеля

в) осложнения с подачей бентонитового раствора к забою с наземного растворного комплекса

Исследование состояния затюбингового пространства и обделки тоннелей, сооружаемых щитом “Виктория” между станциями “Лесная” и “Площадь мужества” Санкт-Петербургского метрополитена методом акустическом зондировании с внутренней поверхности обделки тоннеля

Рис.1. Фото на щите "Виктория" в конце первого перегонного тоннеля у "Площади Мужества"

Работы в новых тоннелях

Проходка новых тоннелей между станциями "Лесная" и "Площадь Мужества" была первым опытом проходки тоннелей бурильной машиной (щитом) в Санкт-Петербурге и, кроме этого, должна была решить и политическую задачу - восстановить разорванную в 1995г. Кировско-Выборгскую линию. Видимо поэтому тоннель часто посещали различные комиссии при появлении которых нас изгоняли с рельсовых путей тоннеля, где мы раскладывали аппаратуру.

Работы по определению состояния затюбингового пространства методом акустическом зондировании в новых тоннелях №1 и №2 между станциями "Лесная" и "Площадь Мужества" проходили в период апрель – октябрь 2003г. В целом работа нелегкой из-за необходимости вписывания в производственный цикл и транспортировки, в то время, громоздкой и тяжелой аппаратуры. Кроме тяжелого генератора импульсов тока в качестве регистрирующего устройства мы таскали с собой в тоннель бытовой компьютер с трубочным монитором. Портативные компьютеры уже были, но купить их было не на что. Интересно, что бытовой персональный компьютер в условиях повышенной влажности ни разу не отказал.

Плохо одетые люди с грязными коробками, которые постоянно что-то перетаскивали вниз в тоннель и обратно наверх, вызывали подозрение. И однажды на стволе 213 нас построили и обыскали бдительные работники метростроя (СМУ-11) под руководством Александра Анатольевича Сотникова. Но ничего не нашли и отпустили.

Работа сопровождалась драматическими и курьезными моментами. Игорь Дмитриевич Чернышев для собственного удобства в нарушении требований безопасности заделал шнур питания генератора с двумя “вилками”. Несмотря на постоянные напоминания этот шнур питания так и уехал в тоннель и однажды при работе оторвался от приборного разъема. Вторая вилка шнура осталась включенной в сеть. Раскачиваясь и ударяясь о предметы вилка искрила между И.Д.Чернышевым и А.Г.Архиповым. "Кто первый?" подумал автор в тот момент. В тоннеле сработало защитное отключение, вблизи ствола погас свет и, что самое неприятное, отключились насосы откачивающие воду. Ситуация стала напряженной. По тоннелю побежали кричащие люди, которые пытались найти виновников отключения. Признаться в содеянном было невозможно. Прищлось смешаться с негодующей толпой. Подачу напряжения вкоре восстановили и работы продолжились. Правда, шнур питания в тот же день перезаделали.

На каждом объекте создаются моменты, от которых зависит дальнейший ход событий. Иногда аппаратуру не поднимали на поверхность и оставляли в камере ствола. Однажды камеру стало подтапливать и если бы не работниками метростроя, которые подняли аппаратуру на верхний стеллаж, дальнейших работ бы не было. Автор, к сожлению, не помнит их имена, но до сих пор испытывает к ним глубокую признательность.

В один из дней в июле автор наблюдал интересное физическое явление, когда весь тоннель был заполнен туманом. Видимость составляла первые метры. По-видимому, туман возник при вентиляции тоннеля теплым влажным воздухом (в то время на поверхности шли дожди).

Возобновление сквозного движения

Сквозное движение по Кировско-Выборгской линии Санкт-Петербургского метрополитена по обходным тоннелям было открыто 26 июня 2004 г.

На открытии линии присутствовал Президент РФ В.В.Путин.

4. ОПЫТНЫЕ РАБОТЫ ПО КОНСЕРВАЦИИ ТОННЕЛЕЙ И УКРЕПЛЕНИЮ ГРУНТОВ В ЗОНЕ "РАЗМЫВА" 2012-13 гг.

4.1 Работы ООО "Геодиагностика" по исследованию состояния тоннелей и укрепленных грунтов в 2012-13 гг.

а) Определение положения погребенных тоннелей и состояния вмещающих грунтов в 2012 г.

а б в

Рис. . Участок “Размыв” при определении ООО "Геодиагностика" положения погребенных тоннелей и состояния грунтов методом межскважинного акустического просвечивания 16 - 21.08.2012

а - Архипов А.Г., б - Гулецкий Н.Н.; в - спуск приемника упругих вол в наблюдательную скважину

Цель работы - определение положения (глубины) залегания погребенных тоннелей и состояния вмещающих естественных грунтов.

Объект исследования - погребенные тоннели и естественные грунты на участке "Размыв" между станциями метро “Лесная” и “Площадь Мужества”.

Работы выполнялись ООО "Геодиагностика" по договору №6/2012 от 26.07.2012г. "Сейсмоакустические исследования естественных и укрепленных грунтов в зоне затопленных тоннелей от станции “Лесная” до станции “Площадь Мужества”” с ГУП “Ленгипроинжпроект”.

Субподрядчик ООО "Геодиагностика". Исполнители: Архипов А.Г. (руководитель работ), Гулецкий Н.Н. (главный инженер), Ивашев В.К. (ведущий научный сотрудник).

Метод геофизических (акустических) исследований – межскважинное акустическое просвечивание (прозвучивание) МАП.

Аппаратура: аппаратурный комплекс импульсного акустического просвечивания и зондирования АПЗ-1 (разработчик ООО”Геодиагностика”, Россия). Сертификат калибровки средства измерения №2520-106/ЭУ-2012 от 22.03.2012.

Для проведения акустического просвечивания использованы четыре наблюдательные скважины, расположенные по обе стороны от трассы затопленных тоннелей. Интервал исследований по глубине 0- 90 м. Подготовка и заполнение водой наблюдательных скважин выполнены ООО “СУ-299” .

а б в

Рис. Схемы и результаты межскважинного акустического просвечивания подземного пространства с погребенными тоннелями в районе площади Мужества

а - схема прозвучивания в плане; б - схема прозвучивания в вертикальной плоскости; в - зависимости скорости упругой волны от глубины между скважинами №2/5151 - №3/5152 и №2/5151 - №5/5154 в вертикальных плоскостях, пересекающей (1) и параллельной (2) затопленным тоннелям

- направления лучей акустического просвечивания; 2/5151 – номера скважин

Мониторинг зоны "Размыва"

После ознакомления с отчетами по мониторингу начала 2000-х годов, автор, заметил, что "Размыв" стал, в некотором роде, "полем чудес" для организаций и методов, результаты которых не могут быть подтверждены при проходке. С удовлетворением автор отмечает, что использованная ООО "Геодиагносттика" аппаратура и методика прозвучивания на прямых проходящих продольных волнах обеспечила погрешность определения глубины залегания тоннелей +0,5 м (проверено бурением в 2013г.). А, ранее выполнявшая на участке "Размыв" в тех же скважинах сейсмоакустическое прозвучивание организация не смогла обнаружить погребенные тоннели. Причинами неуспеха конкурирующей организации, по мнению автора, стали недостаточная чувствительность скважинного приемника упругих волн и использованная методика прозвучивания на поперечных упругих волнах. Из просмотренного автором отчета следует, что конкуренты не смогли выделить на записях первое вступление продольной упругой волны и от безысходности стали работать на хорошо выделяемых поперечных волнах. Но в слоистом разрезе прозвучивание на поперечных упругих волнах сопровождается интерференционным искажением записей и высокой погрешностью выделения первого вступления. Как следствие, неконтролируемой становится погрешность измерения и скорости распространения поперечной упругой волны. В результате, конкурирующие ученые, призналась. что не могут выделить продольную упругую волну и, по мнению автора, погрязли в спекулятивных выводах о состоянии грунтов участка "Размыв".

б) Контроль сплошности и прочности укрепительной цементации в 2012 г.

а б в

Рис. . Участок “Размыв” при контроле сплошности и прочности укрепительной цементации 30.12.2012

а - общий вид опытного участка (на заднем плане, слево от буровой установки видно здание НПО "Аврора", поврежденное при аварии 1974 г.; б - спуск приемника упругих вол в наблюдательную скважину; в - насос высокого давления комплекса струйной цементации ООО "СТИС"

Результаты определения сплошности, прочности материала и глубины струйной цементации:

...........................................................................................................

в) Исследование внутреннего пространства верхнего погребенного тоннеля на участке "Размыв" в 2013 г.

а б в

Рис. . Участок “Размыв” при выполнении ООО "Геодиагностика" межскважинного акустического просвечивания внутреннего пространства верхнего погребенного тоннеля 27.02.2013

Объект исследований – верхний затопленный тоннель на участке ПК183 между станциями “Лесная” и “Площадь Мужества” Санкт-Петербургского метрополитена.

Цель работы — определение среды, заполняющей верхний затопленный тоннель, и получение фоновых акустических характеристик для последующего контроля качества тампонажа тоннеля по изменению параметров импульса упругих волн, прошедшего межскважинное пространство.

Работы выполнялись ООО "Геодиагностика" по договору №3/2013 от 18.02.2013г. “Сейсмоакустические исследования верхнего тоннеля по объекту «Проект стабилизации массива пород с целью локализации зоны осадок территории, ограниченной улицами Новороссийская, Карбышева, Политехническая и Площадью Мужества»” с ООО “СТИС”.

Для проведения акустического просвечивания использованы две наблюдательные скважины, пробуренные с поверхности земли совместными усилиями ООО "CУ 299" и ООО “СТИС” внутрь верхнего тоннеля.

В результате межскважинного акустического просвечивания определены кинематические и динамические характеристики упругих волн в среде, заполняющей тоннель и в грунтах кровли тоннеля. По величине и изменению акустических параметров установлена среда, заполняющая верхний погребенный тоннель

а б

Рис. Схемы межскважинного акустического просвечивания внутреннего пространства верхнего затопленного тоннеля в районе площади Мужества (2013г.)

направления лучей акустического просвечивания

Результаты исследований внутреннего пространства верхнего погребенного тоннеля :

...........................................................................................................

ВЫВОДЫ:

1. Причины аварии при проходке тоннелей 8 апреля 1974 г.:

а) Отсутствие информации о состоянии (сплошности) ледогрунтового массива по трассе тоннелей

б)

.....

2. Причины аварии при эксплуатации тоннелей в декабре 1995 г.:

а) Отсутствие информации о состоянии подземного пространства, окружающего тоннели (состояние грунтов оснований).

б)

.....

3. Современное состояние погребенных тоннелей

4. Риски для целостности действующих обходных тоннелей через зону "Размыва" от условий эксплуатаций

5. Предложения по введению в эксплуатацию участков земли в районе площади Мужества с погребенными тоннелями

Информация для связи:

E-mail: arhipov8@mail.ru

Telephone: +7(911)1582796

Internet: www.geodiagnostics.ru

Полное или частичное копирование материалов разрешено только при обязательном указании автора и прямой гиперссылки на сайт www.geodiagnostics.ru