Влияние строительства тоннелей на окружающую среду в уникальных природно-географических условиях

Введение

С недавнего времени в России многократно увеличились объемы сооружения транспортных тоннелей. В связи с необходимостью создания транспортной инфраструктуры строительство затронуло регионы с уникальными природно-географическим условиями и, прежде всего, районы Краснодарского края. Наиболее показательным примером, иллюстрирующим эту тенденцию, является Адлерский микрорайон г. Сочи, где для обеспечения зимних Олимпийских игр 2014 г. были сооружены девять транспортных тоннелей, в т.ч. шесть железнодорожных и три автодорожных.

Объектом исследования являются транспортные тоннели на совмещенной (автомобильной и железной) дороге «Адлер – горноклиматический курорт “Альпика-Сервис”». Строительство и эксплуатация данных тоннелей была связана с негативным воздействием на окружающую среду (ОС). Анализ влияния технологических процессов, сопровождающих строительство и эксплуатацию тоннелей на ОС, был осуществлен на основе данных натурных наблюдений. Приведены результаты измерений содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и грунтах (в т.ч. почвах) в периоды строительства и эксплуатации транспортных тоннелей. Установлены закономерности, характеризующие уровни негативного воздействия на различные компоненты природной среды в зависимости от периода строительства.

Трасса этих тоннелей проходит по территории заповедника «Западный Кавказ», характеризующегося наличием особых видов флоры и фауны, а также не имеющим аналогов рельефом местности, и в частности, долины протекающей в непосредственной близости от трассы р. Мзымты. В соответствии с существующей нормативной базой любое техногенное воздействие на эту территорию допускается только в том случае, если оно не приводит к такому нарушению окружающей среды, которое имеет долговременный характер, а его влияние распространяется за пределы рабочих площадок при строительстве и санитарных зон в период эксплуатации [3].

Сооружение и последующая эксплуатация транспортных тоннелей имеет по сравнению со строительством объектов на поверхности существенные особенности, определяющие уровень и конечный результат негативного воздействия на ОС [6]. Отличительными особенностями этого воздействия в период строительства являются [1]:

1. одновременное ведение работ под землей и на поверхности, что затрагивает все элементы биосферы: атмосферный воздух, грунты (в т.ч. почвы), поверхностные и подземные воды, флору и фауну, население;
2.  применение при сооружении тоннелей и поверхностных комплексов различных технологий: от ручной разработки грунта до применения тоннельных проходческих комплексов (ТПК), проходческих комбайнов, буровзрывных работ, экскаваторной выемки грунта, буросвайных и бетонных работ
3. использование большого спектра строительных машин и механизмов;
4. значительная длительность работ, достигающая пятилетнего периода с временным изменением уровней негативного воздействия.

Оценка негативного влияния на ОС в период строительства была осуществлена в период 2009‒2013 гг. на основе ежеквартальных наблюдений, проводимых при сооружении транспортных тоннелей.В 2014‒2017 гг. исследования негативного влияния транспортных тоннелей на ОС были дополнены инструментальными измерениями 47 концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и грунтах (в т.ч. почвах) в период эксплуатации.

В период эксплуатации число факторов, характеризующих влияние транспортных тоннелей на ОС, сокращается. Причем, если в период строительства при условии использования однотипных технологий проходки воздействие на ОС примерно одинаково при строительстве железнодорожных и автодорожных тоннелей, то во время эксплуатации автодорожных тоннелей превалирующим негативным фактором являются выбросы загрязняющих веществ от машин, повышающие концентрацию загрязняющих веществ в тоннельном воздухе, и, как следствие, в грунтах (в т.ч. почвах), расположенных на припортальных участках. В железнодорожных тоннелях при минимальном влиянии на атмосферный воздух на первое место выходит шумовое воздействие поездов на припортальных участках.

Выполненный анализ показывает, что в отечественной и зарубежной литературе недостаточно полно освещены вопросы воздействия строительства транспортных тоннелей на ОС. Отсутствие научно-обоснованных данных, характеризующих это воздействие, затрудняет оценку и последующий выбор экологически безопасной технологии строительства. В рассматриваемых уникальных природно-географических условиях это может привести к существенному социальному и экономическому ущербу [4].

Особенность проведенных работ характеризуется значительным объемом инструментальных измерений, выполненных в пределах ограниченной площади строительства девяти транспортных тоннелей (шести железнодорожных и трех автодорожных), имеющих протяженность от 128 до 4572 м, и уникальности природно-географических условий района строительства. Результаты проведенных исследований будут являться основой для разработки природноохранных мероприятий при сооружении транспортных тоннелей в условиях, аналогичных рассмотренным.

Методика проведения мониторинга окружающей среды при сооружении и эксплуатации транспортных тоннелей

При проведении мониторинга при сооружении тоннелей был сделан акцент на измерении содержания загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосферном воздухе. Методика мониторинга была отработана в период строительства тоннелей первого тоннельного комплекса, в состав которого входят условно параллельные друг другу автодорожный и железнодорожный тоннели и сервисная штольня, расположенная между ними. Тоннели соединены со штольней сбойками. Длина железнодорожного тоннеля ‒ 2535 м, автодорожного – 2298 м. Проходка тоннелей осуществлялась горным способом. При этом источники воздействия на окружающую среду также были идентичны, а именно: автотранспорт и горнопроходческое оборудование, при работе которых в воздух выбрасывается основная масса загрязняющих веществ [5].

Экологический мониторинг при строительстве тоннелей проводился ежеквартально в период с 2009 по 2013 гг. В состав работ по мониторингу входили оценка влияния строительства на атмосферный воздух, водную среду и почву припортальных площадок.

Данный интервал позволил в полной мере определить участки и периоды проведения работ, характеризующиеся либо наибольшим, либо наименьшим уровнем воздействия на окружающую среду, установить закономерности выбросов и рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере, выявить динамику накопления и вымывания поллютантов в почвах.

Методика проведения исследований в этот период предусматривала измерение физико-химических параметров атмосферного воздуха, а также осуществление химического анализа грунтов (в т.ч. почв). В связи с тем, что основным источником загрязнений является автотранспорт, то основной объем измерений был ориентирован на автодорожные тоннели. Причем в связи с тем, что загрязненный воздух выбрасывается в атмосферу через порталы тоннелей, точки измерений располагались на порталах тоннелей и площади полос отвода, прилегающих к автомобильной дороге, на расстоянии 50 м от порталов. Требования к выбору точек измерений и их приборное обеспечение соответствовали периоду строительства.

Результаты измерений содержание загрязняющих веществ в атмосферном воздухе в период строительства

На начальном этапе строительства содержание загрязняющих веществ в воздухе на портале тоннеля находится на уроне 0–2,0 мг/м3 . С увеличением длины тоннеля наблюдался рост содержания ЗВ в воздухе (до 5,0 мг/м3 ), что объясняется увеличением количества горнопроходческого и горнотранспортного оборудования, одновременно работающего в тоннеле. Снижение концентрации ЗВ происходило после сбойки тоннеля (февраль 2011 г.), а также после завершения проведения основных работ по проходке тоннеля как следствие изменения схемы вентиляции (рис. 2).

Результаты, аналогичные данным наблюдения на железнодорожном тоннеле, были получены в процессе строительства автодорожного тоннеля. Описанная динамика экологической нагрузки на атмосферный воздух может быть объяснена ростом концентрации погрузочно-доставочного оборудования по мере увеличения протяженности проходимого участка выработки и, следовательно, возрастанию выбросов загрязняющих веществ в тоннельный воздух.

Таким образом, анализ результатов мониторинга, проводимого в период строительства, показал, что при сооружении транспортных тоннелей экологическая нагрузка на окружающую среду, в частности на атмосферный воздух, носит неравномерный характер. Минимальная в начальный период строительства, по мере увеличения протяженности пройденных участков тоннеля и повышения интенсивности проходческих работ она увеличивается. После завершения основного этапа строительства, во время обустройства тоннелей, экологическая нагрузка на ОС вновь снижается.

Результаты измерений содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе в период эксплуатации

Результаты выполненных измерений показали, что в период эксплуатации железнодорожных тоннелей на участке «Адлер – горноклиматический курорт “Альпика-Сервис”» источники воздействия на атмосферный воздух отсутствуют, а воздействие на отводимую из тоннеля дренажную и технологическую воду минимально.

В период эксплуатации автодорожных тоннелей основным источником негативного воздействия на атмосферу являются выбросы загрязняющих веществ от автотранспорта. Конечная концентрация загрязняющих веществ в исходящей из тоннелей воздушной струе зависит от интенсивности движения автотранспорта, которая меняется в течение суток: максимальна в «час пик» и минимальна в ночное время, ‒ а также от количества воздуха, движущегося по тоннелям.

Для замеров были выбраны разные периоды времени с различной плотностью потока. Так, для «часа пик» был выбран период 10.00–12.00 ч, для обычного режима ‒ 22.00–00.00 ч. Увеличение интенсивности транспортного потока обуславливает определенное ухудшение экологической обстановки. Однако даже для интенсивности движения, характерной для «часа пик», концентрации оксида углерода в атмосферном воздухе на портале тоннеля и на припортальных площадках не превышают нормативных значений, установленных ГН 2.1.6.1338-03 [2].

В периоды снижения интенсивности движения транспорта до обычных значений концентрации загрязняющих веществ оказываются еще ниже, чем для периода «час пик» (рис. 3).

Результаты измерения содержания загрязняющих веществ в грунтах (в т.ч. почвах) на припортальных площадках в период строительства

При проведении инженерно-экологических изысканий была изучена степень загрязнения грунтов (в т.ч. почв) на глубинах 0–0,2 и 0,2–1,0 м. В данной публикации результаты анализа загрязнения грунтов (в т.ч. почв) на глубинах 0– 0,2 м приняты за фоновые значения (рис. 4).

В результате проведенных исследований установлено, что концентрация ЗВ в воздухе зависит от количества автотранспорта и строительной техники, работающей в тоннеле и на строительной площадке во время проведения замера. Это приводило к тому, что в различные промежутки времени значения концентраций могли значительно отличаться. Для более детального определения уровня воздействия на окружающую среду были определены концентрации нефтепродуктов и тяжелых металлов в поверхностных слоях грунтов припортальных зон тоннелей, которые могут со временем накапливать осевшую на поверхность часть загрязняющих веществ, выбрасываемых с тоннельным воздухом. Особенность накопления поллютантов в грунтах (в т.ч. почвах) имеет волновой (пикообразный) характер. Периоды накопления сменяются периодами вымывания загрязняющих веществ из грунтов (в т.ч. почв).

Заключение

 1. Оценка негативного влияния при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей и разработка мероприятий по его снижению должна осуществляться на основании данных горно-экологического мониторинга, включающего периодические наблюдения за состоянием всех элементов окружающей среды как на строительных площадках, так и на прилегающей к ним территории.

2. На основании данных горно-экологического мониторинга установлено, что уровень техногенного воздействия на окружающую среду при сооружении транспортных тоннелей зависит от технологии проходки подземных выработок, этапов строительства и используемого горнотранспортного и горнопроходческого оборудования.

3. Анализ результатов инструментальных измерений содержания загрязняющий веществ в атмосферном воздухе на порталах тоннелей и припортальных участках, проводимых в период строительства, показал, что экологическая нагрузка на окружающую среду носит неравномерный характер. Минимальная в начальный период строительства она возрастает по мере  увеличения протяженности пройденных участков тоннеля и повышения интенсивности проходческих работ. После завершения основного этапа строительства, во время обустройства тоннелей, экологическая нагрузка на ОС вновь снижается.

4. Динамика изменения концентрации загрязняющих веществ в грунтах (в т.ч. почвах) на участках, прилегающих к местам выхода выработок на дневную поверхность, носит волнообразный характер, что связано с накоплением поллютантов в течение сухого периода и с их вымыванием и сносом в р. Мзымта во время дождей.

5. Отличительными особенностями воздействия на ОС при эксплуатации автодорожных тоннелей по сравнению с железнодорожными являются повышенная концентрация загрязняющих веществ в атмосферном воздухе вблизи порталов, зависящая от интенсивности движения транспортных средств, и более высокие концентрации тяжелых металлов в грунтах (в т.ч. почвах).

6. Выявленные закономерности облегчают осуществление прогноза негативного воздействия при сооружении и эксплуатации транспортных тоннелей на окружающую среду в зависимости от типа тоннеля, принятой технологии строительства и особенностей их проведения в различные периоды.

 Список литературы: 

1. Гендлер С.Г., Рогалев В.А. Оценка загрязнения атмосферного воздуха при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей // Записки Горного института. 2012. Т. 195. С. 152‒155.
2.  ГН 2.1.6.1338-03 Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест.
3.  Самышева И.М., Павлова Л.В. Экологический аспект эксплуатации, строительства и реконструкции автомобильных мостов, дорог, тоннелей // Экология и научно-технический прогресс. Урбанистика. 2015. Т. 1. С. 498‒ 503.
4. Скоба В.А., Сурнина Е.К. Экологическая безопасность при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей // Техническое регулирование в транспортном строительстве. 2016. № 6(20). C. 10‒13.
5. Трофименко Ю.В., Крючков Д.В. Экспериментальная оценка загрязнения воздуха в городских автотранспортных тоннелях // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). 2005. № 4. С. 116‒120.
6. Экологическое сопровождение строительства и эксплуатации транспортных тоннелей и метрополитенов ‒ основа для минимизации негативного воздействия на окружающую среду / С.Г. Гендлер, Е.И. Домпальм, Р.В. Введенский, А.Ю. Котомина, М.В. Могильный, Л.В. Рыжова // Метро и тоннели. 2016. № 6. С. 25‒31

Авторы статьи: 

Введенский Р.В, заведующий испытательной лабораторией ОАО "Ленметрогипротранс"
Гендлер С.Г.,  д. т. н., профессор

Материал опубликован в сборнике докладов Общероссийской научно-практической конференции «Инженерно-экологические изыскания – нормативно-правовая база, современные методы и оборудование».