Тони Уолтхэм - Катастрофы: неистовая Земля

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.