О некоторых причинах повышенной аварийности башенных кранов
(статья была опубликована в урезанном виде в журнале журнала «Ростехнадзор. Наш Регион» в августе 2009)
Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
август 2009, Санкт-Петербург
По степени аварийности башенные краны не имеют себе равных. Падения кранов происходят повсеместно и практически независимо от уровня выполнения правил техники безопасности. Если посмотреть в интернете, то бросается в глаза то, что за очень малым исключением, причины аварий не указаны.
По статистике, наиболее уязвимы краны, перемещающиеся на рельсовых путях.
Подозрение на то, что причина аварий как-то связана с несовершенством рельсовой основы, существует давно. Еще в начале 70-х годов в одной из лабораторий Ленинградского Горного института я участвовал в исследовательской работе по созданию геофизического метода контроля качества уплотнения подсыпки под рельсами. Считалось, что причина аварий - в недостаточном и неодинаковом уплотнении грунта под обоими рельсами.
Работа закончилась ничем, но так сложилось, что почти 30 лет спустя я слышал рассказ очевидца падения крана в Петербурге, в Коломягах, которое произошло в 2002 году. Падению крана предшествовало его раскачивание в направлении, перпендикулярном направлению рельсового пути. Что заставило кран начать раскачиваться и увеличивать амплитуду этих колебаний, вплоть до его падения?...
Крановщики считают, что падениям кранов как правило предшествует их раскачивание.
Понимание этого механизма пришло позже, когда мы изучали процессы, предшествующие техногенным катастрофам в широком смысле [1].
Согласно нашим представлениям, центрами возникновения разного рода разрушений являются зоны тектонических нарушений (ЗТН). Выявление, картирование и изучение ЗТН стало возможным в результате создания аппаратуры и метода спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) [2].
Спектральная сейсморазведка принципиально отличается от традиционной, так называемой, лучевой сейсморазведки.
Идея традиционной сейсморазведки настолько проста и очевидна, что за 100 лет ее существования не возникло потребности ее проверить экспериментально. Модель того, как в результате ударного воздействия возникают как бы упругие лучи, которые распространяются во все стороны и отражаются от субгоризонтально залегающих границ, казалось бы, в силу своей очевидности не требует экспериментального доказательства.
Однако как раз экспериментальная проверка, осуществленная на метрологически корректном уровне [3], показала, что земная толща по акустическим свойствам является не совокупностью отражающих границ, а совокупностью колебательных систем. В результате ударного воздействия на земную толщу возникает один или несколько гармонических (синусоидальных) затухающих сигналов, что, собственно, и является доказательством такого акустического свойства земной толщи. Каждая гармоническая составляющая сейсмосигнала, возникающего в результате ударного воздействия на земную толщу, соответствует толщине (мощности) определенной геологической структуры. Зависимость между частотой гармонической составляющей сейсмосигнала f0 и мощностью геологической структуры h имеет следующий вид:
h = Vsh / f0, (1)
где Vsh - скорость поперечного упругого процесса. Как показали специальные исследования [4], величина скорости Vsh с погрешностью, не превышающей 10%, равна 2500м/с.
В общем случае, при исследовании массива, сложенного субгоризонтально залегающими породными слоями, ССП-разрез имеет вид, подобный приведенному на рис.1.
Рис. 1
Каждый вертикальный объект на ССП-разрезе - это спектральное изображение сейсмосигнала в данной конкретной точке профиля. Ось глубин получена путем пересчета оси частот с помощью соотношения (1).
При общеслоистом характере разреза вблизи 12-го - 18-го метра профиля на глубинах 10 - 20м прорисовались V-образные объекты, а на глубине 30 - 35м - одна образующая V-образного объекта.
Как было замечено, на ССП-разрезах ЗТН проявляются воронкообразными (V-образными) объектами или одной их составляющей. Однако те объекты, которые прорисовались на рис.1, увидеть возможно только при условии наличия опытного интерпретатора. И влияние таких ЗТН незначительно.
Свойства ЗТН [5] не столь безобидны, как может показаться. Любое инженерное сооружение, оказавшееся в ЗТН, будет неизбежно разрушаться. Скорость и характер разрушения определяется параметрами нарушения и тем, какая часть сооружения попала в ЗТН. Кроме того, характер разрушения зависит от специфики конструкции и эксплуатации самого инженерного сооружения.
На рис.2 приведен V-образный объект, полученный при выяснении причин разрушения одного из домов в СПб. При наличии такой, столь ярко прорисовавшейся зоны, любое сооружение неизбежно разрушится.
Рис. 2
Вопреки установившемуся мнению, что тектонические нарушения - это всегда что-то такое глобальное, касающееся деформаций тектонических плит, оказалось, что ЗТН могут иметь любые размеры, вплоть до самых незначительных, в единицы метров. С многими проявлениями ЗТН мы все хорошо знакомы. Так, хорошо известные всем, участки неустранимых углублений в поверхности грунта. Скажем, лужа, которую можно засыпать, уплотнять и выравнивать сколько угодно, но она образуется вновь. Или постоянно уходящее в грунт крыльцо…
Как оказалось, формируются ЗТН благодаря явлению, которое А.Д. Сашурин, обнаруживший его, назвал планетарной пульсацией [6]. Зарождается планетарная пульсация, по-видимому, на колоссальных глубинах, где горные породы, возможно, находятся не в твердом состоянии. Разрушительное действие планетарной пульсации таково, что разрушаются и сами породы. Таким образом, породы в ЗТН находятся в разрушенном состоянии, что определяет пониженную несущую способность (повышенную податливость) грунта.
Частота колебаний поверхности грунта, определяемая планетарной пульсацией настолько низкая (доли Герц), что без специальной аппаратуры ее заметить невозможно. А вот амплитуда может оказаться очень большой - до 10см. Как выяснилось, амплитуда пульсации непостоянна. Бывают периоды, когда пульсация отсутствует, а затем опять возникает. В соответствии с этим, и процессы, которые вызывает эта пульсация, также идут как бы толчками.
Но вернемся к подъемным кранам.
Допустим, что один из двух рельсов пересекает зону, ССП-изображение которой приведено на рис.2. В какой-то момент времени, в период активизации планетарной пульсации, под этим рельсом может резко увеличиться податливость грунта, то есть, как бы исчезнет опора, и рельс в этом участке окажется в виде как бы натянутого каната. В результате, кран может оказаться в таком состоянии, что он будет опираться не на два рельса, а на один рельс и на один канат. При любом перемещении цента тяжести крана в таком случае неизбежно возникнет его раскачивание…
В том же случае, если не один, а оба рельса пересекут такую ЗТН, то на горизонтальном, выверенном при прокладке отрезке пути окажется участок, на котором при проходе через него крана произойдет прогиб пути. Тогда возникает возможность внезапного самопроизвольного движения крана, что может вызвать его падение в направлении движения.
Метод ССП используется уже более 10 лет для выявления ЗТН перед началом строительства различных инженерных сооружений для того, чтобы исключить наличие этих потенциально аварийных зон под фундаментом либо нейтрализовать их влияние. Осуществление подобных измерений перед выбором трасс, по которым должны двигаться башенные краны, ликвидирует одну из причин их аварийности.
ЛИТЕРАТУРА
- Гликман А.Г. О прогнозировании техногенных катастроф с позиций спектральной сейсморазведки.
- Гликман А.Г. Спектральная сейсморазведка - это тоже довольно просто
- Гликман А.Г. Гимн синусоиде.
- «Способ измерения скорости звука» Гликман А.Г., Симанский И.А., Стародубцев А.А. Патент №2034241. Б.И. №12, 1995.
- Гликман А.Г. Свойства зон тектонических нарушений (ЗТН).
- Sashourin A.D., Panzhin A.A., Kostrukova N.K., Kostrukov O.M. Field investigation of dynamic displacement in zone of tectonic breaking. /Rock mechanics - a challenge for society: Proceedings of the ISRM regional symposium EUROK 2001. Espoo, Finland 3-7 June 2001/ Balkema 2001. p. 157-162.
