Тони Уолтхэм - Катастрофы: неистовая Земля

• Название: Катастрофы: неистовая Земля
• Автор: Тони Уолтхэм
• Издательство: Недра
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1982

В популярной форме рассмотрена геология крупных катастроф: землетрясений, вулканических извержений, оползней, прорывов вод, провалов грунта и других опасных для людей явлений природы. Подробно описаны наиболее крупные катастрофы и их последствия. Автор раскрывает причины этих бедствий, как геологические, так и обусловленные деятельностью человека; описывает способы прогнозирования этих явлений; показывает, что можно предпринять для защиты от катастроф или для уменьшения причиняемых ими разрушений.

---

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.