Текст книги "Катастрофы: неистовая Земля"
Автор книги: Тони Уолтхэм
сообщить о нарушении
Текущая страница: 18 (всего у книги 20 страниц)
Угроза погребенных долин
«Рокхед» – это термин, которым пользуются шахтеры и инженеры для обозначения подземной границы между твердыми, консолидированными породами и вышележащими неуплотненными осадками. Этот раздел может находиться как на небольшой глубине —¦ под маломощным слоем почвы, так и на значительной глубине – под рыхлыми осадками. В последнем случае это создает серьезную угрозу для проходчиков туннелей и шахтеров: если туннель или штрек неожиданно выйдет из твердых пород в слабые, рыхлые, подвижные осадки (обычно это песок или глина), насыщенные водой под высоким давлением, неизбежна катастрофа. Как проходчикам туннелей, так и шахтерам необходимо знать, где на данном участке залегает нижняя граница рыхлых отложений. Если этот рубеж относительно плоский, особых проблем не возникает, однако форма его может быть очень сложной. Обычно эта форма отражает погребенный рельеф местности, существовавший здесь до захоронения его под перекрывающими осадками. Чтобы выявить строение этой поверхности, необходимо знать прошлые процессы, влиявшие на формирование рельефа, которые в свою очередь зависят от движений земной коры и от климатических условий. Многочисленные оледенения и перемены климата в течение последних нескольких миллионов лет еще больше затрудняют осуществление подобных реконструкций.
Самая грозная опасность подстерегает шахтеров и проходчиков туннелей там, где ложе выполненной осадками древней долины неожиданно резко опускается на большую глубину. С поверхности же форму таких погребенных долин и положение их днища установить почти невозможно. В 1907 г. в горах Юра (Швейцария) велось строительство туннеля Вайссенштайн. Однако. проектировщики совершенно не учли, что на одном из участков существовала погребенная долина. Когда же при проходке туннеля строители достигли этой долины, сдержать насыщенные водой осадки оказалось весьма непросто.
Ложе погребенных долин может располагаться ниже современного уровня моря – на глубине базиса эрозии, существовавшего в ледниковый период, когда уровень моря был гораздо ниже, чем сейчас. Последующее повышение уровня моря сопровождалось отложением осадков в древней долине. Под рекой Тайн в Ньюкасле (Англия) имеется выполненная осадками значительная по протяженности долина глубиной 40 м; при добыче угля в многочисленных мелких шахтах района эту долину издавна старались по мере возможности избегать.
Очень трудно определить местонахождение погребенных долин там, где они не соответствуют очертаниям современных долин. При сооружении гидротехнического канала Ваггиталь под долиной Швендибах в Швейцарии предполагали, что рыхлые осадки достигают значительной глубины. Поэтому по линии будущего канала была заложена серия горных выработок, одна из которых вскрыла границу коренных и рыхлых пород на глубине 12 м. Канал предполагалось вести на глубине 30 м, поэтому разведочные горные работы продолжали, и другая выработка – в 50 м к северу от первой – вошла в погребенную долину, расположенную на проектной глубине закладки канала. Во избежание катастрофы строительные работы были законсервированы.
Самые глубокие и опасные погребенные долины приурочены к районам, подвергавшимся оледенению. Это объясняется тем, что достаточно мощные ледники при своем движении через уже существовавшие долины могли перемещаться вверх по склонам, переуглубляя отдельные их участки. При отступлении ледника происходит накопление переносимых водой осадков и заполнение ими углубленных частей долины. Это – одна из основных проблем, с которой сталкиваются инженеры при строительстве туннелей, поскольку многие районы Европы и Северной Америки в ледниковую эпоху были охвачены оледенением. В Колмене (Канадские Скалистые горы) шахтеры-угольщики обнаружили погребенную долину, заполненную рыхлыми осадками и погружающуюся почти на 90 м под реку Кроуснест. Во время строительства знаменитого туннеля Сен-Готард в Швейцарских Альпах чуть не произошла катастрофа, когда вели проходку под долиной Андерматт на глубине 300 м и на расстоянии около 3 км от северного устья туннеля. В 70-х годах XIX века ничего не было известно о погребенной долине, она была обнаружена лишь 70 лет спустя при помощи буровых скважин. Глубина погребенной долины Андерматт достигает 270 м, слагающие ее водонасыщенные пески и глины протягиваются на 40 м в пределы туннеля.
Детальное изучение древней и современной геоморфологии помогает ориентировочно определить местоположение погребенной долины, но этого недостаточно для безопасного ведения подземных работ. Следовательно, при обнаружении любого признака, свидетельствующего о возможном присутствии погребенной долины, необходимо проводить детальные геологические исследования, несмотря на то что бурение надлежащего числа скважин может потребовать очень больших затрат.
В настоящее время довольно успешно применяются сейсмические геофизические методы. Скорость сейсмических волн, проходящих через горные породы, по существу является функцией плотности этих пород. Поскольку волны преломляются или отражаются различными слоями, определить геологическое строение недр можно, установив время возвращения волны к поверхности земли. Рубеж, разграничивающий рыхлые осадки и твердую породу, обычно легко находят таким образом. Но при наличии глубоких узких погребенных долин решение вопроса затрудняется, поскольку со склонов долины могут поступать ложные сейсмические сигналы. По-видимому, именно это и произошло в районе Мовуазен в Швейцарии, где под долиной велась проходка туннеля. По данным геофизических исследований стало известно, что здесь имеется погребенное ущелье. Но подземная выработка вошла в эти отложения в совершенно неожиданном месте, и в туннель устремился поток воды, смешанной с песком; погибло четыре человека.
Последствия недостаточно тщательной разведки погребенных долин могут быть ужасными. С самого начала сооружения туннеля Летшберг в Швейцарии совершенно не учитывались местные геологические условия. По этому туннелю протяженностью около 15 км должна была проходить железнодорожная магистраль через Бернские Альпы – от Кандерштега на севере до Гоппенштайна на юге. Оба входа в туннель планировалось расположить в живописнейшей местности на уровне дна ледниковых долин.
У Кандерштега долина имеет удлиненный профиль с четко выраженными уступами, что характерно для многих ледниковых долин. Железная дорога должна была входить в туннель у одного из таких уступов, вздымавшегося почти на 200 м. Выше по течению погребенная долина разветвлялась, и одно ответвление – Гастернталь – проходило как раз над туннелем. Инженеры, проектировавшие туннель в конце XIX века, плохо знали геологию местности. Предполагалось, что у Кандерштега туннель пройдет через известняки под горой Физишток, а затем войдет в твердый гранит под горой Бальмхорн; не было полной ясности и в геологическом строении долины Гастернталь.
Туннель должен был строиться на глубине 180 м от поверхности земли. Грунт в долине был представлен рыхлыми осадками, однако геологи, консультировавшие строителей туннеля, авторитетно заявляли, что мощность рыхлых осадков не превышает 60 м и «никакого риска» нет. Один из геологов, правда, высказал мнение, что мощность рыхлых осадков, возможно, достигает 200 м и часть туннеля пройдет через них. Он рекомендовал поставить буровые работы в долине Гастернталь. Однако проект строительства туннеля был уже утвержден, и на сообщение этого геолога не обратили никакого внимания.
В октябре 1906 г. была начата проходка туннеля Лётшберг. Два года спустя его протяженность со стороны Кандерштега уже превысила 2,5 км. Предполагаемая «опасная зона» под северным бортом долины Гастернталь осталась позади, и проходка туннеля уже велась под долиной. Шли обычные подземные строительные работы. В половине третьего ночи 24 июля 1908 г. был проведен очередной взрыв. Еще не смолкло его эхо, когда лавина из валунов, грязи, воды и песка прорвалась в туннель и заполнила его на протяжении 1300 м. Все находившиеся здесь люди, а их было 25, погибли. Одновременно наверху, в долине Гастернталь, в русле реки образовалась типичная депрессия опускания диаметром 150 м.
Нет почти никаких сообщений о причинах этой катастрофы и о последовавших за ней событиях. Однако совершенно ясно, что туннель вошел в отложения очень глубокой погребенной долины, выполненной рыхлыми осадками. Разведочные скважины, пробуренные впоследствии в долине Гастернталь, достигли глубины 215 м, но о полученных результатах тоже ничего не сообщалось. Тем временем работы по строительству туннеля продолжались. Вести проходку в насыщенных водой, рыхлых отложениях, выполнявших долину, можно было только после их укрепления нагнетанием цементного раствора либо замораживанием. В данном случае применить любой из этих методов было очень трудно, к тому же рыхлые отложения, заполнившие туннель, невозможно было удалить, так как под давлением они постоянно перемещались.
Было принято единственно возможное решение – забетонировать штрек и забросить участок туннеля протяженностью около 1,5 км, заполненный рыхлыми осадками. Это и было осуществлено; проходку затем начали вести в новом направлении, вследствие чего в туннеле образовалось три изгиба. Туннель прошел под долиной Гастернталь выше по течению, где между выработкой и рыхлыми осадками залегали коренные породы мощностью 150 м. В 1913 г. по туннелю Лётшберг началось движение поездов.
Катастрофы в Лётшберге могло бы и не быть, если бы предварительно были проведены более детальные геологические исследования или хотя бы учтены все имеющиеся данные. Гастернталь являет собой прекрасный пример глубокой ледниковой долины, заполненной рыхлыми отложениями. В таких долинах совершенно невозможно заранее предсказать, до какой глубины эти рыхлые отложения распространяются. Коренные породы выходят здесь на земную поверхность в ущелье Клюз ниже долины Гастернталь. Для того чтобы при проходке туннеля встретились рыхлые отложения, было достаточно даже незначительного (не более 1: 10) обратного уклона дна погребенной долины. Такое явление весьма характерно для альпийских ледниковых долин Швейцарии, где крутые склоны часто выпаханы ледниками, двигавшимися вверх по склону. Все настораживающие признаки были налицо, но ни инженеры, ни «геологи-консультанты» не придали им никакого значения.
По существу ни один геолог не мог точно указать, на какую глубину распространяются рыхлые отложения в долине Гастернталь. Однако любой знающий геолог, как, например, тот, на заявление которого перед катастрофой не обратили никакого внимания, должен был предупредить, что рыхлые отложения вполне могут достигать уровня проходки туннеля. Возможно, стоило пойти на некоторый финансовый риск и повести туннель в другом направлении, что в конце концов и пришлось сделать. Тогда по крайней мере было бы спасено 25 человеческих жизней
Как выяснилось впоследствии, дешевле всего было бы до сооружения туннеля пробурить скважину в дне долины. Если бы этот туннель строился сейчас, мощность рыхлых отложений можно было бы определить геофизическими методами. Однако в связи с тем что долина Гастернталь очень узкая, результаты могли оказаться и ошибочными. Мораль истории туннеля Лётш-берг такова: ничто не может заменить буровую скважину.
Проблемы горных работ в породах со сложной структурой
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.
