Обоснование экологической безопасности при эксплуатации объектов метрополитена с учетом гидрогеологического риска

Введение

Для оценки экологической безопасности метрополитенов необходимо учитывать ряд ключевых критериев, которые помогут обеспечить устойчивое функционирование этих систем.

Гидрогеологический критерий: включает определение гидростатического давления подземных вод, их минерализацию, состав.

Эмиссии загрязняющих веществ: включает измерение уровней выбросов углекислого газа, азотных оксидов и других загрязнителей, которые могут оказывать влияние на качество воздуха в городах. Особое внимание следует уделить местам с высокой концентрацией людей, таким как станции метро и пересадочные узлы.

Шумовое загрязнение: работа метрополитенов часто сопровождается высоким уровнем шума, который может негативно сказываться на здоровье и качестве жизни городских жителей. Важно оценивать уровни шума и принимать меры по их снижению.

Энергоэффективность: эффективное использование энергии является ключевым фактором в снижении экологического воздействия метрополитенов. Это включает использование энергосберегающих технологий, а также переход на возобновляемые источники энергии.

Утилизация отходов и использование материалов: важными аспектами являются управление отходами, возникающими в процессе строительства и эксплуатации метрополитенов, а также выбор экологически устойчивых материалов.

Влияние на экосистемы и биоразнообразие: необходимо учитывать воздействие метрополитенов на природные экосистемы, в частности, при строительстве новых линий метро и развитии инфраструктуры.

Применение этих критериев требует комплексного подхода, включая регулярный мониторинг, использование современных технологий и инновационных решений. Также важно разрабатывать и реализовывать нормативно-правовые акты, которые будут регулировать экологические аспекты функционирования метрополитенов.

Критерии экологической безопасности должны регулярно пересматриваться и обновляться в соответствии с последними научными исследованиями и технологическими достижениями. Это обеспечит возможность адаптации и постоянного улучшения в ответ на меняющиеся условия и потенциальные нештатные ситуации.

Применение этих критериев поможет не только снизить негативное воздействие метрополитенов на окружающую среду, но и повысить их эффективность и удобство для персонала и посетителей, способствуя тем самым устойчивому развитию городских транспортных систем.

Примеры успешных практик

Метрополитен Стокгольма, Швеция: Один из наиболее экологически чистых метрополитенов в мире. Благодаря использованию 100% возобновляемой энергии для метропоездов Стокгольм значительно снизил углеродный след своей транспортной системы. Кроме того, внедрены эффективные системы вентиляции и шумоподавления.

Метрополитен Сингапура: Пример высокоэффективной и инновационной транспортной системы. Сингапурский метрополитен использует регенеративное торможение, которое позволяет снизить общее потребление энергии. Также применяются строгие стандарты по снижению шума и загрязнения воздуха.

Лондонский метрополитен, Великобритания: Внедрение программы по сокращению энергопотребления и улучшению качества воздуха. Лондонский метрополитен также активно работает над улучшением своей инфраструктуры для снижения уровня шума и вибрации.

Примеры с проблемными аспектами

Метрополитен Нью-Йорка, США: Несмотря на свою величину и значимость сталкивается с рядом экологических проблем, связанных главным образом с устаревающей инфраструктурой и высокими уровнями шума. Проекты по модернизации инфраструктуры и повышению энергоэффективности находятся в процессе разработки и реализации.

Московский метрополитен, Россия: Хотя в последние годы были предприняты шаги по улучшению экологической безопасности, такие как внедрение энергоэффективного освещения и улучшенная вентиляция, все еще существуют проблемы, связанные с изношенностью инфраструктуры и изменением геолого-гидрологической обстановки из-за изменения городского ландшафта.

Материалы и методы

Одним из самых опасных видов экологических рисков на подземных объектах метрополитена, ведущих к существенному снижению экологической безопасности, являются гидрогеологические риски, т.е. возможные социальные и экономические потери в результате развития неблагоприятных гидрогеологических процессов, что выражается в снижении устойчивости выработок метрополитена и экологической безопасности системы «породный массив – подземное сооружение – окружающая среда». Гидрогеологические риски проявляются в виде формирования таких дефектов в несущих конструкциях выработок, как свищи, течи, выносы водных масс и грунта в подземный объект, прорывы воды и плывунов и т.п.

Рассмотрим в качестве примера оценки уровня экологической безопасности на существующий объект Московского метрополитена, основываясь на данных инженерно-геологических изысканий на различный период времени. Фотоматериал по перегонному тоннелю линии Московского метрополитена представлен на рис. 1–3.

Рис. 1. Выщелачивание и мокрое пятно в межкольцевом и межблочном стыке обделки, активная течь. Трещина в спинке тюбинга

Рис. 2. Вынос грунта в область контактного рельса

Рис. 3. Выщелачивание и разрушение бетонной конструкции плиты перекрытия в результате эрозии гидроизоляции

Натурным обследованием конструкций на аварийном участке перегонного тоннеля линии Московского метрополитена было выявлено наличие следующих наиболее характерных дефектов и повреждений:

• сколы бетона в стеновых блоках, в том числе на некоторых участках с обнажением арматуры;
• сколы бетона в плитах перекрытия, в том числе на некоторых участках с обнажением арматуры;
• выщелачивания на стеновых блоках перегонного тоннеля;
• выщелачивания на плитах перекрытия перегонного тоннеля;
• мокрые пятна на стеновых блоках перегонного тоннеля;
• нарушение заделки швов в стеновых блоках и плитах перекрытия;
• активные течи;
• трещины в плитах перекрытия величиной раскрытия до 0,2 мм.

Классификация выявленных дефектов отражена в табл. 1.

Таблица 1

Классификация дефектов (согласно ГОСТ Р 57208–2016)

Результаты

Геологические разрезы по рассматриваемому перегону на различные периоды времени представлены на рис. 4, 5.

Рис. 4. Инженерно-геологический разрез участка перегонного тоннеля между станциями на период времени t₁

Рис. 5. Инженерно-геологический разрез участка перегонного тоннеля между станциями на период времени t₂

Из представленных разрезов следует, что уровень водоносного горизонта менялся с течением времени, что значительно повлияло на физико-механические свойства пород и развитие дефектов в несущих конструкциях тоннеля, прежде всего на изменение геометрии обделки перегонного тоннеля.

Для определения скорости понижения и восстановления водопритока были проведены расчеты фильтрационных свойств водоносного горизонта вблизи перегонного тоннеля (табл. 2). 

Таблица 2

Характеристика водоносного горизонта

По данным наблюдений за состоянием уровня водоносного горизонта вблизи перегонного тоннеля было выявлено изменение гидрологического режима (рис. 6, 7). Из представленных графиков следует, что в течение продолжительного периода времени уровень водоносного горизонта изменялся в диапазоне значений от 2 до 16 м.

Рис. 6. График прослеживания понижения уровня в скважине

Рис. 7. График прослеживания восстановления уровня в скважине

В рамках обследования технического состояния проблемных участков перегонных тоннелей были произведены натурные измерения фактических геометрических размеров конструкций тоннеля. Измерения фактических размеров исследуемых конструкций проводились ручным лазерным дальномером «Leica DISTO D2». Точность измерений: ±1,5 мм. По результатам измерений были выявлены отклонения фактических геометрических размеров обделки от проектных, значения которых превышают 50 мм в рассматриваемых пикетах (рис. 8). Выделенная область на рис. 8, а представляет собой негабаритный участок обделки тоннеля метрополитена, который может сформировать развитие потенциальной аварийной ситуации. Выделенная красным цветом область на рис. 8, б представляет собой негабаритный участок обделки тоннеля метрополитена до процесса усиления основания лотковой зоны, которая может сформировать развитие потенциальной аварийной ситуации, а синим цветом выделены результаты измерений после процесса усиления основания лотковой зоны, что позволило сократить деформацию со 100 до 40 мм.

Рис. 8. График деформации обделки: а – первого пути (левого перегонного тоннеля); б – второго пути (правого перегонного тоннеля)

Из рис. 8 следует, что деформационные процессы, обусловленные увеличением притока подземных вод к обделке тоннеля, приводят к трещинообразованию в конструкции чугунного тюбинга, что, в свою очередь, способствует формированию течей и вывалу грунта во внутреннее пространство тоннеля, в том числе и на путевые участки.

По результатам натурного обследования была составлена карта дефектов обделки, фрагмент которой приведен на рис. 9.

Рис. 9. Карта дефектов обделки, полученных в результате натурного обследования действующих объектов (ПК167 + 00,0)

Выводы

Выявленные изменения конструкции обделки тоннеля показали, что 60% течей приурочено к местам расположения технологических швов. Тело тюбинга также начинает фильтровать воду, усугубляются процессы выщелачивания с появлением мокрых пятен. Так как вмещающий породный массив сложен слабыми неустойчивыми грунтами, вынос грунтовых масс в пространство тоннеля может повлечь его осадку, что, в свою очередь, вызовет деформации и оседания земной поверхности. Таким образом, наблюдается ярко выраженное снижение уровня экологической и геотехнической безопасности перегонного тоннеля метрополитена.

Полученные результаты исследований, включающие в себя анализ дефектов в конструкциях тоннелей под действием гидрогеологических факторов, являются основой для дальнейшего определения приемлемых рисков и разработки методики обеспечения экологически безопасной эксплуатации городских транспортных тоннелей метрополитена.

В дальнейшем планируется создание модели геомеханических воздействий на сооружения метрополитена. Моделирование позволит оценить, насколько такие геомеханические проявления, как карстовые процессы, осадки земной поверхности, пучение грунта, изменение режима грунтовых вод, участвуют в формировании напряженно-деформированного состояния сборной обделки перегонных тоннелей. Моделирование предполагается проводить трехмерным численным методом в программном пакете ANSYS Workbench. Сравнение результатов, полученных при моделировании с экспериментальными данными, позволит оценить достоверность предлагаемой методики.